DE102017121922B4

DE102017121922B4 - Diagnosefähige inkrementelle Schnittstelle mit Wirkleistung-Ein für Winkelsensoren

Info

Publication number: DE102017121922B4
Application number: DE102017121922.6A
Authority: DE
Inventors: Mario Motz; Wolfgang Scherr
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2024-01-25
Anticipated expiration: 2037-09-22
Also published as: US20180087930A1; US10184807B2; DE102017121922A1

Abstract

Ein Winkelsensor umfassend:ein Erfassungsmodul, das zum Erzeugen eines Erfassungssignals ausgebildet ist, das Messungen von Rotationsaktivitäten oder von einer oder mehreren Dimensionen einer sich drehenden physischen Entität oder von Zuständen des Winkelsensors enthält;eine Schaltung zum Verarbeiten und Speichern des Erfassungssignals;eine inkrementelle Schnittstelle umfassend einen inkrementellen Pulsgenerator auf einem unidirektionalen Übertragungskanal, und einen Referenzpuls-Sender und einen Datencodierer auf einem bidirektionalen Übertragungskanal;wobei die inkrementelle Schnittstelle ausgebildet ist, um inkrementelle Änderungen des Erfassungssignals umzuwandeln und als Pulse durch eine oder mehrere Signalleitungen zu übertragen, und die Pulse werden durch einen inkrementellen Pulsempfänger empfangen und verarbeitet, um Winkel- und Richtungs-Änderungen der physischen Entität zu erzeugen;wobei der Referenzpuls-Sender zum Übertragen eines Referenzpulses durch eine Signalleitung an einer vordefinierten Winkelposition ausgebildet ist, um es dem inkrementellen Pulsempfänger zu ermöglichen, eine Referenzposition zu bestimmen, aus der die inkrementellen Änderungen in dem inkrementellen Pulsempfänger verarbeitet werden, um eine Absolutwinkelposition zu erzeugen, und der Datencodierer ausgebildet ist, um Daten zu übertragen, die von dem Empfänger angefordert werden, zu einem beliebigen Zeitpunkt über eine oder mehrere Signalleitungen.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung befindet sich auf dem Gebiet von Winkelsensoren, insbesondere Winkelsensoren zum Umwandeln einer Winkelverschiebung in ein digitales Signal und Verarbeiten und Übertragen des digitalen Signals unter Verwendung einer inkrementellen Schnittstelle.
HINTERGRUND
Ein Winkelsensor ist eine Art von Sensor, der Rotations-Geschwindigkeit- und PositionsMessungen durch Umwandeln von Winkelverschiebungen in elektrische Signale bereitstellt. Winkelsensoren finden sich in einem breiten Feld aus automobilen und industriellen Anwendungen, wie z.B. Lenkrad-Positionserfassung, Pedal-Positionserfassung und Motorwellen-Positionserfassung.
Eine verbreitet bekannte Schnittstelle, die für Datenkommunikationen des Winkelsensors verwendet wird, ist eine inkrementelle Schnittstelle. Diese Art von Schnittstelle wird aufgrund ihrer niedrigen Kosten, Hochgeschwindigkeits-Übertragung mit eher niedrigfrequenten Signalen und der Fähigkeit, Signale bereitzustellen, die ohne Weiteres decodiert werden können, um bewegungsbezogene Informationen bereitzustellen, wie z.B. Rotationsgeschwindigkeit und Rotationsrichtung, verbreitet verwendet. Sie ist ferner kompatibel mit optischen Sensoren. Die inkrementelle Schnittstelle kann drei unidirektionale Kanäle umfassen, bekannt als A-, B- und Z-Kanäle. Signalleitungen A und B stellen phasenverschobene Pulse bereit, die Rotationsgeschwindigkeit und Rotationsrichtung anzeigen. Kanal Z stellt einen Indexpuls bereit, der einen Referenzpunkt anzeigt, wie z.B. einen Nulldurchgangspunkt der Rotation. Das Zählen der Pulse von den Signalleitungen A und B wird zurückgesetzt, sobald der Indexpuls von dem Kanal Z empfangen wird. Somit kann eine Absolutrotationsposition bestimmt werden. Es ist jedoch ein Nachteil dieser inkrementellen Schnittstelle, dass sie nicht „Wirkleistung-Ein“ (true-power-on) ist. Die Absolutrotationsposition kann erst empfangen werden, nachdem der Indexpuls empfangen wurde, d.h. die Rotation passiert den Nulldurchgangspunkt. Die Absolutrotationspositionsinformation kann verzögert sein, da der Sensor von einer Rotationsposition entfernt von dem Nulldurchgangspunkt einschalten kann.
ZUSAMMENFASSUNG
Es kann ein Bedarf bestehen zum Bereitstellen eines verbesserten Konzepts für einen Winkelsensor, ein Winkelsensorsystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Winkelsensors.
Ein solcher Bedarf kann durch den Gegenstand eines der Ansprüche erfüllt sein.
Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Winkelsensor, umfassend ein Erfassungsmodul, das zum Erzeugen eines Erfassungssignals ausgebildet ist, das Messungen von Rotationsaktivitäten von einer oder mehreren Dimensionen einer sich drehenden physischen Entität enthält, oder Zustände des Winkelsensors; eine Schaltung zum Verarbeiten und Speichern des Erfassungssignals; eine inkrementelle Schnittstelle umfassend einen inkrementellen Pulsgenerator auf einem unidirektionalen Übertragungskanal, und einen Referenzpulssender und einen Datencodierer auf einem bidirektionalen Übertragungskanal; wobei die inkrementelle Schnittstelle ausgebildet ist, um inkrementelle Änderungen des Erfassungssignals umzuwandeln und als Pulse durch eine oder mehrere Signalleitungen zu übertragen, und die Pulse werden durch einen inkrementellen Pulsempfänger empfangen und verarbeitet, um Winkel- und Richtungs-Änderungen der physischen Entität zu erzeugen; wobei der Referenzpuls-Sender ausgebildet ist zum Übertragen eines Referenzpulses durch eine Signalleitung an einer vordefinierten Winkelposition, um es dem inkrementellen Pulsempfänger zu ermöglichen, eine Referenzposition zu bestimmen, aus der die inkrementellen Änderungen in dem inkrementellen Pulsempfänger verarbeitet werden, um eine Absolutwinkelposition zu erzeugen, und der Datencodierer ausgebildet ist, um Daten zu übertragen, die von dem Empfänger angefordert werden, zu einem beliebigen Zeitpunkt über eine oder mehrere Signalleitungen.
Optional sind die Daten, die durch den Sensor angefordert und durch den Empfänger verarbeitet werden, ein Absolutwinkelpositionssignal, ein Relativwinkelpositionssignal, ein Sensorzustand, eine Sensorkonfiguration oder ein beliebiges Sensordiagnoseergebnis aus einem eingebauten Selbsttest.
Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Winkelsensorsystem umfassend ein Erfassungsmodul, das ausgebildet ist, um ein Rohrotationssignal zu erzeugen, das Messungen von Rotationsgeschwindigkeit und -Position einer sich drehenden physischen Entität und andere physische Bedingungen enthält; einen oder mehrere Analog-zu-Digital-Wandler (ADC), die ausgebildet sind, um das Roh-Rotationssignal und andere physische Zustände zu empfangen und in ein digitales Rotationssignal und optionale digitale Zustandssignale umzuwandeln; einen digitalen Prozessor, der ausgebildet ist, um das digitale Rotationssignal und optionale digitale Zustandssignale zu verarbeiten und zu speichern; eine inkrementelle Schnittstelle, die mit dem digitalen Prozessor gekoppelt ist und ausgebildet ist, um inkrementelle Signale von dem Erfassungsmodul umzuwandeln und zu übertragen, das zwei unidirektionale Signalleitungen und eine bidirektionale Signalleitung aufweist; wobei die inkrementellen Signale als Winkelschritte durch Pulse und eine Richtung der Winkelschritte durch eine Phasenverschiebung zwischen den inkrementellen Signalen codiert sind und durch die zwei unidirektionalen Signalleitungen übertragen werden; wobei die bidirektionale Signalleitung ausgebildet ist, um einen Referenzpuls zu übertragen, um eine Absolutwinkelposition in Relation zu der inkrementellen Schnittstelle zu bestimmen und ein Anfragesignal zu empfangen, das die Übertragung eines Winkelpositionssignals initiiert; und eine Steuerung, die mit der inkrementellen Schnittstelle durch die zwei unidirektionalen Signalleitungen gekoppelt ist, um die inkrementellen Signale zu verarbeiten, um relative Winkeländerungen zu bestimmen, und die bidirektionale Signalleitung, um entweder einen Referenzpuls wiederzugewinnen oder eine Winkelposition, Sensorzustand, Sensorstatus, Sensorkonfiguration oder Sensorselbsttest anzufordern und zu empfangen.
Optional wird das Absolutrotationswinkelsignal vor dem Empfangen des Referenzpulses angefordert und erzeugt.
Wiederum optional werden die inkrementellen Signale, die die Inkremente und Richtung des Winkelsignals bestimmen, durch PWM-codierte Signale in eine einzelne unidirektionale Leitung kombiniert.
Optional umfassen die angeforderten und wiedergewonnenen Informationen auf der bidirektionalen Signalleitung eine binäre Zahl, die in dem digitalen Prozessor verarbeitet und gespeichert wird, wobei die binäre Zahl durch ein Multibit-Binärsignal ansprechend auf das Anfragesignal von der Steuerung in einer seriellen oder parallelen Übertragung mit Null oder mehr zusätzlichen Signal- und Steuerungs-Leitungen übertragen wird.
Wiederum optional umfasst das Anfragesignal einen einzelnen Puls.
Optional umfasst das Anfragesignal eine Anfrage des Sensorstatus-Anfragesignals, umfassend interne Spannungen, Temperatur oder Belastung, eine Konfigurationsanfrage oder eine Sensordiagnoseanfrage.
Wiederum optional wird das Anfragesignal an die inkrementelle Schnittstelle über die bidirektionale Signalleitung ausgesendet, wenn das Winkelsensorsystem eingeschaltet ist.
Optional überträgt die bidirektionale Signalleitung Daten zu und von der Steuerung gemäß einem Kommunikationsprotokoll, das einen Kurz-Pulsweitenmodulations-Code (SPC; short pulse width modulation code), einen universellen, asynchronen Empfänger/Sender (UART; universal asynchronous receiver/transmitter), eine Peripherie-Sensorschnittstelle (PSI; peripheral sensor interface) mit zusätzlichen Steuerleitungen, die eine serielle Peripherie-Schnittstelle (SPI; serial peripheral interface) einsetzen und eine I2C-Schnittstelle (I2C; inter-integrated circuit interface) und eine verteilte Systemschnittstelle (DSI; distributed systems interface) zur Datencodierung verwendet.
Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Winkelsensor umfassend ein Erfassungsmodul, das ausgebildet ist, um ein Rotationssignal zu erzeugen, das Messungen von Rotationsgeschwindigkeit und -Position einer sich drehenden physischen Entität enthält; und eine inkrementelle Schnittstelle, die mit dem Erfassungsmodul gekoppelt ist und ausgebildet ist, um inkrementelle Signale durch eine erste unidirektionale Signalleitung und eine zweite unidirektionale Signalleitung von dem Erfassungsmodul zu einem Zähler einer Steuerung zu übertragen und ein Winkelpositionssignal und einen Referenzpuls durch eine bidirektionale Signalleitung zu übertragen; wobei die inkrementelle Schnittstelle ausgebildet ist, um das Winkelpositionssignal zu übertragen, sobald ein Winkelpositions-Anfragesignal über die bidirektionale Signalleitung empfangen wird.
Optional sind die erste unidirektionale Signalleitung und die zweite unidirektionale Signalleitung ausgebildet, um die inkrementellen Signale, die Rechteckimpulse umfassen, pro Winkelschritt mit einer quantisierten Schrittgröße und einer Phasenverschiebung zwischen der ersten unidirektionalen Signalleitung und der zweiten unidirektionalen Signalleitung zu übertragen.
Wiederum optional ist die bidirektionale Signalleitung ausgebildet, um den Referenzpuls von der inkrementellen Schnittstelle zu der Steuerung zu übertragen, sobald eine Referenzposition detektiert wird.
Optional ist die Steuerung ausgebildet, um die inkrementellen Signale und das Winkelpositionssignal zu empfangen, um ein Absolutrotationswinkelsignal zu erzeugen.
Wiederum optional ist die Steuerung ausgebildet, um einen Zähler auf einen Referenzwert der Steuerung zu setzen, sobald das Anfragesignal gesendet wird.
Optional wird das Winkelpositionssignal, das von der bidirektionalen Signalleitung empfangen wird, verwendet, um die inkrementellen Signale zu versetzen, die von der ersten und zweiten unidirektionalen Signalleitung empfangen werden, um ein Absolutrotationswinkelsignal zu erzeugen, sobald der Referenzpuls erzeugt wird.
Wiederum optional wird das Absolutrotationswinkelsignal geprüft, wenn der Referenzpuls empfangen wird, und wobei ein Absolutwinkel-Anfragesignal an die inkrementelle Schnittstelle ausgesendet wird, wenn ein Versatz des Absolutrotationswinkelsignals einen Schwellenpegel überschreitet.
Optional überträgt die bidirektionale Signalleitung ein Sensorzustandssignal von der inkrementellen Schnittstelle zu der Steuerung.
Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Winkelsensor umfassend ein Erfassungsmodul, das ausgebildet ist, um ein Rotationssignal zu erzeugen, das Messungen von Rotationsgeschwindigkeit und -Position einer sich drehenden physischen Entität enthält; und eine inkrementelle Schnittstelle, die mit dem Erfassungsmodul gekoppelt ist und ausgebildet ist, um inkrementelle Signale durch eine einzelne unidirektionale Signalleitung von einem Codierer des Erfassungsmoduls zu einem Detektor einer Steuerung zu übertragen und ein Winkelpositionssignal und einen Referenzpuls durch eine einzelne bidirektionale Signalleitung zu der Steuerung zu übertragen; wobei die Steuerung ausgebildet ist, um das inkrementelle Signal und das Winkelpositionssignal oder den Referenzpuls zu empfangen und zu verarbeiten, um ein Absolutrotationswinkelsignal zu erzeugen.
Optional ist die inkrementelle Schnittstelle ausgebildet, um inkrementelle Signale zu übertragen, die Paare aus einem kurzen Puls und einem langen Puls umfassen.
Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Winkelsensors, das Verfahren umfassend das Senden eines Absolutwinkel-Anfragesignals zu dem Winkelsensor durch eine bidirektionale Signalleitung einer inkrementellen Schnittstelle des Winkelsensors; nach dem Empfangen des Absolutwinkel-Anfragesignals, Übertragen eines Winkelpositionssignals durch die bidirektionale Signalleitung der inkrementellen Schnittstelle und Übertragen inkrementeller Signale, die pro Winkelschritt Rechteckimpulse mit einer quantisierten Schrittgröße und einer 90° Phasenverschiebung umfassen, durch eine erste unidirektionale Signalleitung und/oder eine zweite unidirektionale Signalleitung; Verarbeiten des Winkelpositionssignals und der inkrementellen Signal, um ein Absolutrotationswinkelsignal zu erzeugen, bevor ein Nulldurchgangspuls detektiert wird.
Optional umfasst das Verfahren ferner das Prüfen des Absolutrotationswinkelsignals, wenn der Nulldurchgangspuls empfangen wird, und das Aussenden eines anderen Absolutwinkel-Anfragesignals an die inkrementelle Schnittstelle, wenn ein Versatz des Absolutrotationswinkelsignals einen Schwellenpegel überschreitet.
Wiederum optional umfasst das Verfahren ferner das Senden eines Diagnose-Anfragesignals an den Winkelsensor durch die bidirektionale Signalleitung einer inkrementellen Schnittstelle des Winkelsensors und das Übertragen eines Nulldurchgangspulses durch die bidirektionale Signalleitung.
Optional umfasst das Verfahren ferner das Übertragen eines Diagnosesignals durch die bidirektionale Signalleitung.
Wiederum optional umfasst das Verfahren ferner das Bestimmen einer Rotationsgeschwindigkeit des Winkelsensors durch Verarbeiten der inkrementellen Signale, die durch die erste unidirektionale Signalleitung und die zweite unidirektionale Signalleitung empfangen werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt ein Blockdiagramm, das ein Winkelsensorsystem darstellt, das eine inkrementelle Schnittstelle mit Wirkleistung ein für Winkelsensoren gemäß einigen Ausführungsbeispielen umfasst.
2 zeigt ein Datenübertragungs-Wellenformdiagramm einer inkrementellen Schnittstelle mit Wirkleistung ein für Winkelsensoren gemäß einigen Ausführungsbeispielen.
3 zeigt ein detaillierteres Blockdiagramm, das ein Winkelsensorsystem darstellt, das eine inkrementelle Schnittstelle mit Wirkleistung ein für Winkelsensoren gemäß einigen Ausführungsbeispielen umfasst.
4 zeigt Erfassungssignale, die über Signalleitungen im Hinblick auf eine Rotationsaktivität übertragen werden gemäß einigen Ausführungsbeispielen.
5 zeigt ein Datenübertragungs-Wellenformdiagramm des Winkelsensorsystems, das in 3 und 4 gezeigt ist, gemäß einigen Ausführungsbeispielen.
6 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben eines Winkelsensorsystem darstellt, das eine inkrementelle Schnittstelle mit Wirkleistung ein gemäß einigen Ausführungsbeispielen umfasst.
7 zeigt ein Blockdiagramm, das ein Winkelsensorsystem darstellt, das eine inkrementelle Schnittstelle mit Wirkleistung ein gemäß einigen anderen Ausführungsbeispielen umfasst.
8 zeigt Erfassungssignale, die über Signalleitungen im Hinblick auf eine Rotationsaktivität übertragen werden, gemäß einigen Ausführungsbeispielen.
9 zeigt eine abstrakte Übersicht basierend auf Kanälen des Übergangs von einer verbesserten inkrementellen Schnittstelle mit zusätzlichen Fähigkeiten.
10 zeigt den vereinfachten Verdrahtungsaufbau (ohne Versorgungsleitungen und anderer üblicher Verdrahtung) zwischen Sensor- oder Slave-Vorrichtung und einem Mikrocontroller oder Master-Vorrichtung einer verbesserten inkrementellen Schnittstelle mit zusätzlichen Fähigkeiten.
11 zeigt eine Erfassungssignal-Synchronisierung und ein Transformations-Protokoll gemäß einigen Ausführungsbeispielen.
12 zeigt ein Datenübertragungsbeispiel von 11 gemäß einigen Ausführungsbeispielen.
13 zeigt ein alternatives Datenübertragungsbeispiel von 11 gemäß einigen Ausführungsbeispielen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung wird nun Bezug nehmend auf die beiliegenden gezeichneten Figuren beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um durchgehend auf gleiche Elemente Bezug zu nehmen. Zur Erläuterung sind in der folgenden Beschreibung zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein tiefreichendes Verständnis des beanspruchten Gegenstands zu übermitteln. Es kann jedoch sein, dass der beanspruchte Gegenstand ohne diesen spezifischen Details ausgeführt werden kann. Zum Beispiel, obwohl die Ausführungsbeispiele nachfolgend im Hinblick auf einige Beispielprotokolle werden, kann die Erfindung auch in anderen Kommunikationsprotokollen Anwendung finden.
Bei früheren inkrementellen Winkelsensorsystemen wurde ein Erfassungssignal durch drei unidirektionale Leitungen übertragen, bekannt als A-, B-, Z-Leitungen. A- Leitung und B-Leitung übertrugen inkrementelle Pulse, die relative Dreh- Schritte und -Richtung anzeigen, und die Z-Leitung übertrug Nulldurchgangspulse auf die hin das Zählen der inkrementellen Pulse zurückgesetzt wird, sodass eine absolute Position des Sensors nach dem Empfangen des Nulldurchgangspulses erforderlich ist. In der vorliegenden Offenbarung werden Systeme und Verfahren offenbart, die die frühere unidirektionale Z-Leitung durch eine neue bidirektionale Z-Leitung ersetzen. Diese neue bidirektionale Z-Leitung ermöglicht Absolutposition- und/oder Sensorstatus-Anfrage und -Übertragung zusätzlich zu der Nulldurchgangspuls-Übertragung. Daher, ohne zusätzliche Signalleitungen zu erfordern, kann eine Echtzeit-Absolutpositions-Detektion und/oder eine zusätzliche Diagnosefunktionalität realisiert werden. Ferner können bei einigen Ausführungsbeispielen die inkrementelle A- und B-Leitung durch eine einzelne Leitung derart ersetzt werden, dass eine kompaktere Schnittstelle realisiert wird (nur zwei Signalleitungen).
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Winkelsensorsystem ein Erfassungsmodul, das zum Erzeugen eines Erfassungssignals ausgebildet ist, das Messungen von Rotationsaktivitäten einer sich drehenden physischen Entität oder Zustände des Winkelsensors enthält. Ein digitaler Prozessor ist mit dem Erfassungsmodul gekoppelt und ist ausgebildet zum Verarbeiten und Speichern des Erfassungssignals. Eine inkrementelle Schnittstelle ist mit dem digitalen Prozessor gekoppelt und ausgebildet, um inkrementelle Signale umzuwandeln und durch eine erste unidirektionale Signalleitung und eine zweite unidirektionale Signalleitung zu übertragen, und ein Anfragesignal zu empfangen und ein Winkelpositionssignal und/oder ein Statussignal zusammen mit einem Nulldurchgangspuls durch eine bidirektionale Signalleitung zu übertragen. Eine Steuerung kann mit der inkrementellen Schnittstelle durch die erste und zweite unidirektionale Signalleitung und die bidirektionale Signalleitung gekoppelt sein, um das Anfragesignal zu senden und die inkrementellen Signale und das Winkelpositionssignal zu empfangen und zu verarbeiten, um ein Absolutrotationswinkelsignal zu erzeugen und/oder um das Statussignal zu empfangen und zu verarbeiten. Durch Übertragen des Nulldurchgangspulses können das Winkelpositionssignal und/oder ein Statussignal durch eine einzelne bidirektionale Signalleitung, eine kompakte inkrementelle Schnittstelle mit Wirkleistung ein und Diagnosefähigkeit realisiert werden.
1 zeigt ein Blockdiagramm, das ein Winkelsensorsystem 100 darstellt, das eine inkrementelle Schnittstelle mit Wirkleistung ein für Winkelsensoren gemäß einigen Ausführungsbeispielen 100 umfasst. Wie in 1 gezeigt ist, umfasst das Winkelsensorsystem 100 eine drehbare physische Entität 102, einen Winkelsensor 104, der ausgebildet ist, um eine Rotation der physischen Entität zu detektieren, und eine Steuerung 114, die ausgebildet ist, um Signale von dem Winkelsensor 104 zu empfangen. Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst der Winkelsensor 104 ein Erfassungsmodul 106, das ausgebildet ist zum Erzeugen eines Erfassungssignals 124, das Messungen von Rotationsaktivitäten der physischen Entität 102 oder Zustände des Winkelsensors 104 enthält. Das Erfassungssignal 124 stellt Informationen über die Bewegung der physischen Entität 102 bereit, die weiter in Informationen verarbeitet werden, wie z.B. Geschwindigkeit, Distanz und Position. Zum Beispiel kann das Erfassungsmodul 106 einen oder mehrere Magnetfeldsensoren aufweisen, um Magnetfelder zu messen oder zu erfassen, die aus Permanentmagneten resultieren, die an die physische Entität 102 angebracht sind. Das Erfassungsmodul 106 kann ferner einen Temperatursensor oder einen Belastungssensor aufweisen, um Temperatur oder Belastung des Winkelsensorsystems 100 zu messen. Ein digitaler Prozessor 110 ist mit dem Erfassungsmodul 106 gekoppelt und ausgebildet zum Verarbeiten und Speichern des Erfassungssignals 124. Zum Beispiel kann der digitale Prozessor 110 die gemessenen Magnetfelder verarbeiten, um ein Winkelpositionssignal 126a zu erzeugen, das eine Absolutrotationspositionsinformation der physischen Entität 102 enthält. Die Absolutrotationspositionsinformation kann dann in einer Speichereinheit innerhalb des Winkelsensors 104 gespeichert werden (nicht gezeigt). Die gemessene Temperatur und Belastung kann auch in der Speichereinheit als ein Sensorzustandssignal 126b gespeichert werden.
Der Winkelsensor 104 umfasst ferner eine inkrementelle Schnittstelle 112, die mit dem digitalen Prozessor 110 gekoppelt ist. Die inkrementelle Schnittstelle 112 ist ausgebildet, um Erfassungssignale zwischen dem Winkelsensor 104 und der Steuerung 114 durch Übertragungskanäle (z.B. Signalleitungen) zu übertragen und zu empfangen. Auf einer Seite der Übertragungskanäle umfasst der Winkelsensor 104 einen inkrementellen Pulsgenerator 113 und einen Statusdatencodierer 115. Der inkrementelle Pulsgenerator 113 ist ausgebildet zum Umwandeln und Übertragen des Erfassungssignals als inkrementelle Rechteckimpulse durch ein Paar aus unidirektionalen Signalleitungen IFA, IFB, die als separate Drähte manifestiert sein können. Der Statusdatencodierer 115 ist ausgebildet zum Umwandeln und Übertragen eines binären Statussignals und eines Nulldurchgangspulses durch eine bidirektionale Signalleitung IFZ, die ein separater Draht von IFA und FIB sein kann. Auf der anderen Seite der Übertragungskanäle umfasst die Steuerung 114 einen inkrementellen Pulsempfänger 117 und einen Statusdatencodierer 119. Der inkrementelle Pulsempfänger 117 empfängt inkrementelle Rechteckimpulse und decodiert diese Pulse, um ein inkrementelles Signal zu erzeugen, das Rotationswinkel- und Rotationsrichtungs-Informationen der physischen Entität 102 umfasst. Der Statusdatendecodierer 119 empfängt das binäre Statussignal und decodiert es, um ein Winkelpositionssignal und/oder ein Sensorzustandssignal zu erzeugen. Bei einigen Ausführungsbeispielen werden das inkrementelle Signal und das Winkelpositionssignal in einen Prozessor 121 der Steuerung 114 gespeist, um ein Absolutrotationswinkelsignal vor dem Empfangen des Nulldurchgangspulses zu erzeugen. Dadurch wird der Absolutrotationswinkel durch die Steuerung 114 auf das Einschalten des Winkelsensorsystems 100 hin erworben, oder innerhalb einer sehr kurzen Zeit (Winkelpositionssignal-Anfrage und -Übertragungszeit). Ferner kann das Sensorzustandssignal (z.B. Temperatur oder Belastung) durch die Steuerung 114 verarbeitet werden, um Arbeitsbedingungen des Winkelsensors 104 zu diagnostizieren.
Bezug nehmend auf 1 zeigt 2 ein Datenübertragungs-Wellenformdiagramm 200 der inkrementellen Schnittstelle 112 für das Winkelsensorsystem 100 aus 1 gemäß einigen Ausführungsbeispielen. Bei einigen Ausführungsbeispielen überträgt das Paar aus unidirektionalen Signalleitungen IFA, IFB identische Rechteckwellensignale von dem Winkelsensor 104 zu der Steuerung 114, die mit dem „Pulszählwert“ der inkrementellen Schnittstelle korrelieren. Jeder der Pulse wird in der Steuerung 114 (durch einen Zähler) gezählt und als eine Rotationswinkeleinheit interpretiert. Zum Beispiel, wenn die inkrementelle Schnittstelle 112 eine Auflösung von 5000 Zählwerten hat gibt es 5000 Pulse pro Umdrehung (PPR) auf der Signalleitung IFA und 5000 PPR auf der Signalleitung IFB. Jeder der empfangenen Pulse kann eine Rotationswinkelverschiebung von 360° × 1/5000 bedeuten. Zu Interprätationszwecken zeigt 2 eine Beispielsituation, wo die physische Entität 102, die gemessen werden soll, in einer ersten Richtung mit abnehmender Geschwindigkeit während Zeit 202 rotiert und dann wechselt, um in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung während Zeit 204 zu rotieren. Die Pulsweite nimmt zu während die Rotationsgeschwindigkeit abnimmt. Zum Beispiel rotiert während der Zeit 206 die physische Entität 102 langsamer, während die physische Entität 102 während der Zeit 208 schneller rotiert. Die Signalleitungen A und B sind voneinander um eine 90° Phasenverschiebung versetzt, um eine Rotationsrichtung anzuzeigen. In einer Richtung (z.B. der ersten Richtung) ist die ansteigende Flanke der Pulse der Signalleitung IFA vor der ansteigenden Flanke der Pulse der Signalleitung IFB, wie in der ersten Hälfte der Wellenform während der Zeit 202 gezeigt ist. Und in der entgegengesetzten Richtung (z.B. der zweiten Richtung) ist die Signalleitung IFB vor der Signalleitung IFA, wie in der zweiten Hälfte der Wellenform während Zeit 204 gezeigt ist.
Die bidirektionale Signalleitung IFZ überträgt ein Anfragesignal 132 von der Steuerung 114 zu dem Winkelsensor 104. Nach dem Empfangen des Anfragesignals 132, das eine vorbestimmte Wellenform aufweisen kann (z.B. Pulse mit einem vorbestimmten Muster oder Pulsweite), die der inkrementellen Schnittstelle 112 bekannt ist, wird ein Statussignal 135 von dem Winkelsensor 104 zu der Steuerung 114 übertragen. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist das Statussignal 135 als ein Multibit-Binärsignal codiert. Das Statussignal 135 kann ein Winkelpositionssignal oder ein Sensorzustandssignal sein, das dem Anfragesignal 132 entspricht. Die bidirektionale Signalleitung IFZ überträgt auch einen Nulldurchgangspuls 136, der anzeigt, dass die physische Entität 102 (siehe 1) einen vorbestimmten „Null Grad“-Rotationswinkel kreuzt. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist der Nulldurchgangspuls 136 ein einzelner Puls mit einer vorbestimmten Pulsweite, wie in 2 gezeigt ist. Bei einigen alternativen Ausführungsbeispielen umfasst der Nulldurchgangspuls 136 eine Reihe von Pulsen oder weist eine Pulsweite auf, die gemäß der Rotationsgeschwindigkeit variiert. Bei einigen Ausführungsbeispielen überträgt und empfängt die bidirektionale Signalleitung IFZ Signale gemäß jeglichem standardmäßigen Kommunikationsprotokoll, das einen Kurz-Pulsweitenmodulations-Code (SPC; short pulse width modulation code), einen universellen, asynchronen Empfänger/Sender (UART; universal asynchronous receiver/transmitter), eine Peripherie-Sensorschnittstelle (PSI; peripheral sensor interface) mit zusätzlichen Steuerleitungen, die eine serielle Peripherie-Schnittstelle (SPI; serial peripheral interface) einsetzen und eine I2C-Schnittstelle (I2C; inter-integrated circuit interface) und eine verteilte Systemschnittstelle (DSI; distributed systems interface) zur Datencodierung verwendet, ist aber nicht darauf beschränkt. Abgesehen von den obigen Spannung-Puls-codierten Protokollen können andere Ausführungsbeispiele auch frequenzmodulierte, amplitudenmodulierte und phasenmodulierte Übertragung von codierten Daten verwenden, durch die Verwendung von elektrischen Spannungen oder Strömen auf der physischen Verbindung.
Es wird darauf hingewiesen, dass, obwohl die inkrementelle Schnittstelle 112 innerhalb des Winkelsensors 104 und gekoppelt mit der Steuerung 114 in 1 gezeichnet ist, die inkrementelle Schnittstelle 112 für andere Kommunikationssysteme verwendet werden kann und einen ersten Sendeempfänger und einen zweiten Sendeempfänger umfasst, die zum Austausch von Daten miteinander ausgebildet sind. Die inkrementelle Schnittstelle 112 kann parallel zu anderen Kommunikationsschnittstellen, gemäß verschiedenen Kommunikationsprotokollen oder alleine verwendet werden. Beispiele eines solchen Kommunikationsprotokolls umfassen ein Protokoll mit Nibble-Übertragung mit einzelner Flanke (SENT-Protokoll; single edge nibble transmission), das Kurz-Pulsweitenmodulations- (PWM-) Code- (SPC-) Protokoll und Herleitungen des SENT- oder SPC-Protokolls. Das Kommunikationssystem kann für jegliche Anwendung eingesetzt werden. Das Kommunikationssystem wird jedoch üblicherweise für Automobilanwendungen verwendet. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann der erste Sendeempfänger zum Beispiel mit einem Sensorbauelement (z.B. dem Winkelsensor 104 aus 1) integriert sein und der zweite Sendeempfänger zum Beispiel mit einer elektronischen Steuerungseinheit (ECU) integriert sein (z.B. der Steuerung 114 von 1). Automobilanwendungen, für die das Kommunikationssystem besondere Verwendung findet, umfassen zum Beispiel Lenkrad-Positionserfassung, Pedal-Positionserfassung und Motorwellen-Positionserfassung.
3 zeigt ein detaillierteres Blockdiagramm, das ein Winkelsensorsystem 300 darstellt, das eine inkrementelle Schnittstelle mit Wirkleistung ein für Winkelsensoren gemäß einigen Ausführungsbeispielen umfasst. Wie in 3 gezeigt ist, umfasst das Winkelsensorsystem 300 eine drehbare physische Entität 102, einen Winkelsensor 104, der ausgebildet ist, um eine Rotation der physischen Entität zu detektieren, und eine Steuerung 114, die ausgebildet ist, um Signale von dem Winkelsensor 104 zu empfangen. Eine inkrementelle Schnittstelle 112, die drei Signalleitungen IFA, IFB und IFZ, eine Leistungsversorgungsleitung 140 und eine Leistungsrückleitung 142 umfasst, erstreckt sich zwischen dem Winkelsensor 104 und der Steuerung 114. Die Leistungsleitungen 140, 142 sind mit Leistungsverbindern verbunden und werden eingesetzt, um Leistung von einer Leistungsversorgung, wie z.B. einer Spannungsquelle zu übertragen, die in dem Winkelsensor 104 oder der Steuerung 114 integriert oder dieser anderweitig zugeordnet ist. Eine erste Signalleitung IFA ist mit einem ersten inkrementellen Pulsgenerator 144a des Winkelsensors 104 und einem ersten inkrementellen Pulszähler 144b der Steuerung 114 verbunden und ist ausgebildet zum Übertragen einer ersten Mehrzahl von inkrementellen Rechteckimpulsen 128 von dem ersten inkrementellen Pulsgenerator 144a zu dem ersten inkrementellen Pulszähler 144b. Eine zweite Signalleitung IFB ist mit einem zweiten inkrementellen Pulsgenerator 146a des Winkelsensors 104 und einem zweiten inkrementellen Pulszähler 146b der Steuerung 114 verbunden und ist ausgebildet zum Übertragen einer zweiten Mehrzahl von inkrementellen Rechteckimpulsen 130 von dem zweiten inkrementellen Pulsgenerator 146a zu dem zweiten inkrementellen Pulszähler 146b. Eine dritte Signalleitung IFZ ist geschaltet zwischen eine Mehrzahl von Sendeempfängerpaaren, umfassend einen Nulldurchgangspuls-Generator 148a des Winkelsensors 104 und einen Nulldurchgangspuls-Empfänger 148b der Steuerung 114 und ist ausgebildet ist zum Übertragen eines Referenzpulses, wie z.B. eines Nulldurchgangspulses 136, zum Einstellen eines Zählers auf einen Referenzwert, um den ersten und den zweiten inkrementellen Pulszähler 142b, 144b zurückzusetzen. Die dritte Signalleitung IFZ ist ebenfalls zwischen einen Anfragesender 150a der Steuerung 114 und einen Anfrageempfänger 150b des Winkelsensors 104 geschaltet und ist ausgebildet zum Übertragen eines Anfragesignals 132. Die dritte Signalleitung IFZ kann zwischen einen Winkelpositionscodierer 152a des Winkelsensors 104 und einen Winkelpositionsdecodierer 152b der Steuerung 114 geschaltet sein und ist ausgebildet zum Übertragen eines Winkelpositionssignals 122. Die dritte Signalleitung IFZ kann ebenfalls zwischen einen Sensorzustandscodierer 154a des Winkelsensors 104 und einen Sensorzustandsdecodierer 154b der Steuerung 114 geschaltet sein und ist zum Übertragen eines Sensorzustandssignals 123 ausgebildet. Bei einigen Ausführungsbeispielen können die erste, zweite und dritte Signalleitung IFA, IFB und IFZ jeweils eine Impedanz von ungefähr 50-200 Ohm aufweisen, was an die Abschlusswiderstände der entsprechenden Sendeempfänger angepasst werden würde und auch von der zugrundeliegenden Kommunikationsschnittstelle und zu verwendenden Verdrahtung abhängen kann.
Die erste und zweite Mehrzahl von inkrementellen Rechteckimpulsen 128, 130, der Nulldurchgangspuls 136, das Winkelpositionssignal 122 und das Sensorzustandssignal 123 werden in dem Winkelsensor 104 vor der Übertragung erzeugt und gespeichert. Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst der Winkelsensor 104 ein Erfassungsmodul 106 umfassend eine Mehrzahl von Erfassungskomponenten, wie z.B. einen Magnetfeldsensor 160, einen Temperatursensor 162 oder einen Belastungssensor. Zum Beispiel können einer oder mehrere Permanentmagneten an die physische Entität 102 angebracht sein und das Magnetfeld, das aus den Permanentmagneten resultiert, kann durch einen oder mehrere Magnetfeldsensoren 160 gemessen oder erfasst werden. Abgesehen von Permanentmagneten können auch Elektromagneten mit Spulen mit oder ohne Kern für eine Magnetfeld-Konzentration verwendet werden. Die Spulen können sich physisch drehen, ähnlich zu Permanentmagneten, oder können physisch statisch sein, aber ein Rotationsmagnetfeld erzeugen, wie es bei der Kommutierung von Elektromotoren und Antrieben der Fall ist. Magnetfeldsensoren umfassen Hall-Sensoren und Sensoren basierend auf einem magnetoresistiven Effekt. Magnetoresistenz bezeichnet die Eigenschaft eines Materials oder eines mehrschichtigen Bauelements, den Wert seines elektrischen Widerstands zu ändern, wenn ein externes Magnetfeld an dasselbe angelegt wird. Es gibt unterschiedliche Materialien und/oder Mehrschicht-Bauelemente, die unterschiedliche Typen einer Magnetoresistenz (kurz xMR) zeigen, umfassend einen anisotropen Magneto-Widerstand (AMR; AMR = Anisotropie Magneto-Resistance), Riesenmagnetowiderstand (GMR; GMR = Giant Magneto-Resistance), kolossalen Magnetowiderstand (CMR; CMR = Colossal Magneto-Resistance), Tunnelmagnetowiderstand (TMR; TMR = Tunnel Magneto-Resistance), oder extraordinären Magnetowiderstand (EMR; EMR = Extraordinary Magneto-Resistance). Hall-Sensoren verwenden die Eigenschaft des so genannten Hall-Effekts, was eine Spannung senkrecht zu einem Stromfluss durch eine Hall-Sonde ist, der proportional zu einer Magnetflussdichte durch die Sonde ist. Solche Hall-Sensoren können in lateraler oder vertikaler Richtung zu dem Sensorchip implementiert sein. Somit können die Magnetfeldsensoren für 2D- oder 3D-Konfigurationen eingerichtet sein. Eine 2D-Konfiguration implementiert zumindest zwei Sensoren, im Fall einer 3D-Konfiguration werden zumindest drei Sensoren implementiert und zwei der Sensor-Sonden können unter Verwendung eines Selektors 161 für eine spezifische Winkelmessung ausgewählt werden. Alternativ können alle Sensoren umgewandelt werden und die Auswahl wird später durchgeführt (oder es können auch mehrere Winkel berechnet werden). Zu Darstellungszwecken ist ein Paar aus Hall-Sensoren X 164 und Y 165 als Beispiel eines Positionssensors gezeigt, umfassend Messungen von Rotationsaktivitäten der physischen Entität 102, die das Winkelpositionssignal 122 oder ein erstes Roh-Erfassungssignal erzeugt, das Informationen über die Bewegung der physischen Entität 102 bereitstellt, die weiter zu Informationen verarbeitet werden, wie z.B. Geschwindigkeit, Distanz und Position. Ein Temperatursensor Temp 162 ist als ein Beispiel eines Zustandssensors gezeigt, der das Sensorzustandssignal 123 oder ein zweites Roh-Erfassungssignal erzeugt, das Informationen über Temperaturen des Winkelsensors 104 bereitstellt. Das erste und zweite Erfassungssignal sind digitale Signale, die durch Analog-zu-Digital-Wandler (ADCs) 168a-168c umgewandelt werden. ADCs können von einem beliebigen Typ sein, es besteht keine Einschränkung auf jegliche spezifische Wandler-Architektur. Ein digitaler Prozessor 110 ist mit dem Erfassungsmodul 106 gekoppelt und ausgebildet zum Verarbeiten und Speichern des Winkelpositionssignals 122 und des Sensorzustandssignals 123. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der digitale Prozessor 110 einen digitalen Signalprozessor (DSP) oder Sequenzierer aufweisen, der eine Fehlerkompensation von Versatz, Versatz-Temperatur-Drift, Amplitudensynchronizität und Orthogonalität der Rohsignale ausführt und zusätzliche Merkmale durchführt, wie z.B. Autokalibrierung, Vorhersage und Winkelgeschwindigkeitsberechnung, falls dies für höhere Genauigkeiten erforderlich ist. Der digitale Prozessor 110 kann das erste Erfassungssignal in das Winkelpositionssignal 122 verarbeiten, das eine Absolutrotationspositionsinformation enthält, durch einen digitalen Koordinatenrotations-Computer (CORDIC; coordinate rotation digital computer), der die trigonometrische Funktion für Winkelberechnung enthält. Diese trigonometrischen Funktionen können auch in dem DSP implementiert sein. Die Absolutrotationspositionsinformation kann dann in einer Speichereinheit gespeichert werden, wie z.B. einem Direktzugriffsspeicher (RAM; Random Access Memory), in einem Ergebnisregister umfassend Flip-Flops (FFs) oder ähnlichen digitalen Speicherelementen. Der digitale Prozessor 110 kann mehr als einmal implementiert sein oder kann gemultiplext sein, im Fall von 3D-Einrichtungen, um mehr als einen Winkel parallel zu berechnen, was dann in dem erwähnten Speicher oder Register gespeichert wird. Das zweite Erfassungssignal kann auch in der Speichereinheit verarbeitet und gespeichert werden und an die Steuerung 114 durch die inkrementelle Schnittstelle 112 übertragen werden, sobald das Anfragesignal 132 empfangen wird. Die erste und die zweite Mehrzahl von inkrementellen Rechteckimpulsen 128, 130 und das Winkelpositionssignal 122 werden durch einen Prozessor 156 der Steuerung 114 verarbeitet, um ein Absolutrotationssignal zu erzeugen, das nachfolgend weiter Bezug nehmend auf 4 und 5 dargestellt wird.
Bezug nehmend auf 3 zeigt 4 Erfassungssignale, die über Signalleitungen im Hinblick auf eine Rotationsaktivität übertragen werden gemäß einigen Ausführungsbeispielen. 5 zeigt ein Datenübertragungs-Wellenformdiagramm des Winkelsensorsystems 300, das in 3 gezeigt ist, gemäß einigen Ausführungsbeispielen. Ein Beispiel wird unter der Annahme gegeben, dass die physische Entität 102 an einer Position mit einem Rotationswinkel α_p angeordnet ist und sich im Uhrzeigersinn dreht, wenn das Winkelsensorsystem 300 eingeschaltet wird (gezeigt durch einen Pfeil). Die Steuerung 114 sendet ein erstes Anfragesignal 132a an den Winkelsensor 104, der ein Winkelpositionssignal erfordert. Gleichzeitig wird ein Zähler der ersten und der zweiten Mehrzahl von inkrementellen Rechteckimpulsen 128, 130 auf Null zurückgesetzt. Nach dem Empfangen des Anfragesignals 132a oder nach einer kurzen Verzögerung T_{wr_delay}, wird das Winkelpositionssignal 122 von dem Winkelsensor 104 zu der Steuerung 114 übertragen. Wie in 5 für ein detailliertes Beispiel gezeigt ist, kann das Winkelpositionssignal 122 ein Multibit-Binärsignal sein. Bei dem gegebenen Beispiel ist der Rotationswinkel α_p 100° und das Winkelpositionssignal 122 ist 12 Bit. Eine binäre Zahl entsprechend 100°/360°×2¹² ist 010001110010. Die binäre Zahl wird unter Verwendung eines geeigneten Protokolls übertragen, wie z.B. den oben aufgelisteten Protokollen. Während der Übertragung werden die Pulse der ersten und zweiten Mehrzahl von inkrementellen Rechteckimpulsen 128, 130 weiter gezählt, bis das Winkelpositionssignal 122 die Übertragung beendet. Bei dem gegebenen Beispiel zählt der Zähler A1 inkrementelle Pulse. Daher wird der Verschiebungswinkel berechnet durch A1/N×360°, wobei N die Auflösung der inkrementellen Schnittstelle 112 ist. Die Phasenverschiebung zwischen der ersten und zweiten Mehrzahl von inkrementellen Rechteckimpulsen 128, 130 zeigt an, dass sich die physische Entität 102 im Uhrzeigersinn dreht. Der absolute Rotationswinkel α_A kann berechnet werden durch α_p+A1/N×360°. Wenn die Rotation fortfährt, kann sich die physische Entität 102 zu einer Nulldurchgangsposition drehen, wo der Nulldurchgangspuls 136 erzeugt wird, und der Zähler wird von A2 (wie in 5 gezeigt) auf Null zurückgesetzt. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann ein synchroner Prozess ausgeführt werden. Ein Absolutrotationswinkel, der unter Verwendung des Rotationswinkelsignals berechnet wird, bei dem gegebenen Beispiel α_p+ A2/N×360°, wird mit der Nulldurchgangspuls-Anzeige verglichen. Dieser Vergleichsprozess kann für weitere Diagnoseprüfungen verwendet werden, wie z.B. Prüfen von Einflüssen der elektromagnetischen Kompatibilität (EMC; electromagnetic compatibility). Der Vergleichsprozess kann zum Erzeugen zusätzlicher Anfragesignale und Signalablesungen führen, wenn ein Vergleichsergebnis einen vorbestimmten Schwellenpegel überschreitet. Ferner kann zu jeder Zeit der Rotation die Steuerung 114 ein zweites Anfragesignal 132b an den Winkelsensor 104 senden, der ein Sensorzustandssignal benötigt. Nach dem Empfangen des zweiten Anfragesignals 132b oder nach einer kurzen Verzögerung T_{wr_delay}, wird das Sensorzustandssignal 123 codiert und von dem Winkelsensor 104 zu der Steuerung 114 übertragen, kann durch die Steuerung 114 decodiert und für eine weitere Bestimmung verarbeitet werden. Wie gezeigt ist, werden Bits mit einzelnen Pulsen codiert, können aber auch mit mehr als einem Strom- oder Spannungs-Pegel oder mit Codierungsschemata wie Manchester-Codes moduliert werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können die Informationen Integritätsprüfungen als Paritäts- oder CRC-Informationen zusätzlich zu den übertragenen Winkeldaten umfassen. Übertragene Daten können auch zusätzliche Informationen enthalten, wie beispielsweise interne Spannungen, Temperatur oder Belastung, eine Konfigurationsanfrage oder eine Sensordiagnose-Anfrage (eingebauter Selbsttest). Es ist wichtig zu erwähnen, dass dieses Anfrageprotokoll 132a, 132b und Antwortprotokoll 122, 123 durch jegliches serielle oder parallele Protokoll ausgetauscht werden können. Vorzugsweise werden bidirektionale Schnittstellen mit niedrigen Stift- und Verdrahtungszahlen verwendet, wie z. B. UART, SPI, SPC, I2C oder ähnliche. Die Auswahl wird auch bestimmt durch die Anforderung von Verdrahtungslänge und Übertragungsgeschwindigkeiten (die die maximale Rotation des Magnetfeldes bestimmen, um zuverlässig zu übertragen). Das vorgeschlagene Protokoll hat die Eigenschaft einer Rückwärts-Kompatibilität zu der standardmäßigen inkrementellen Schnittstelle, falls erforderlich.
Es sollte erwähnt werden, dass diese bidirektionale Übertragung nicht auf reine Winkelinformationen beschränkt ist. Einige Ausführungsbeispiele können zusätzlich Statusinformationen des Sensors, Diagnoseinformationen, wie Ergebnisse von Selbsttests oder interne/externe Schaltungszustände übertragen oder sogar Sensoreigenschaften neu konfigurieren, wie z. B. (aber nicht beschränkt auf) Empfindlichkeits- oder Auflösungs-Einstellungen. Ferner können Ausführungsbeispiele zusätzliche Signalleitungen verwenden, um die Richtung der Kommunikation zu steuern, die Übertragung unter Verwendung eines seriellen Taktes zu synchronisieren (wie z.B. mit den SPI-Schnittstellen) oder die binären Daten von dem Sensor zu dem Empfänger auf parallele Weise übertragen.
6 zeigt ein Flussdiagramm 600, das ein Verfahren zum Betreiben eines Winkelsensorsystem 600 darstellt, das eine inkrementelle Schnittstelle mit Wirkleistung ein gemäß einigen Ausführungsbeispielen umfasst. Es wird darauf hingewiesen, dass obwohl das Flussdiagramm 600 entlang einer Zeitlinie dargestellt ist, einige Operationsschritte in einer unterschiedlichen Reihenfolge oder mit einer unterschiedlichen Zeitgebungs-Verschiebung dazu erfolgen können, was in 6 gezeigt ist. Zum Beispiel kann ein Nulldurchgangspuls vor, während oder nach dem Übertragen eines inkrementellen Positionssignals erzeugt werden, abhängig davon, wann eine „Nulldurchgangs-Position‟ durchkreuzt wird. Ferner kann ein Sensorzustandssignal jederzeit während der Operation angefordert und übertragen werden, um die Arbeitsbedingung des Winkelsensors zu prüfen.
Das Flussdiagramm 600 startet von einem Block 602, wo ein Positions-Anfragesignal von einer elektronischen Steuerungseinheit (ECU) zu einem Sensorbauelement gesendet wird.
Bei Block 604 wird ein Zähler innerhalb der ECU zurückgesetzt. Bei einigen Ausführungsbeispielen wird der Zähler zurückgesetzt, sobald das Positions-Anfragesignal ausgesendet wird.
Bei Block 606 werden inkrementelle Signale von dem Sensorbauelement zu der ECU über eine erste und zweite Signalleitung übertragen. Bei einigen Ausführungsbeispielen sind die inkrementellen Signale Rechteckimpulse, korreliert mit Winkelverschiebungsschritten des Winkelsensors.
Bei Block 608 wird ein Positionssignal zu der ECU über eine dritte Signalleitung gemäß einem bidirektionalen Protokoll übertragen.
Bei Block 610 werden das inkrementelle Signal und das Positionssignal verarbeitet, um ein erstes Absolutpositionssignal zu erzeugen.
Bei Block 612 wird ein Nulldurchgangspuls erzeugt und von dem Sensorbauelement zu der ECU übertragen, wenn eine „Nulldurchgangsposition‟ gekreuzt wird. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist der Nulldurchgangspuls ein einzelner Puls oder eine Reihe von Pulsen.
Bei Block 614 wird der Zähler innerhalb der ECU zurückgesetzt, wenn der Nulldurchgangspuls empfangen wird.
Bei Block 616 werden das inkrementelle Signal und der Nulldurchgangspuls verarbeitet, um ein zweites Absolutpositionssignal zu erzeugen.
Bei Block 618 kann das erste Absolutpositionssignal verglichen und geprüft werden, wenn der Nulldurchgangspuls empfangen wird. Das erste Absolutpositionssignal kann auch mit dem zweiten Absolutpositionssignal verglichen werden, nachdem das zweite Absolutpositionssignal empfangen wird. Der Vergleichsprozess kann zum Erzeugen zusätzlicher Anfragesignale und Signalablesungen führen, wenn ein Vergleichsergebnis einen vorbestimmten Schwellenpegel überschreitet. Zum Beispiel kann ein Absolutwinkel-Anfragesignal zu der inkrementellen Schnittstelle ausgesendet werden, wenn ein Versatz des Absolutrotationswinkelsignals einen Schwellenpegel überschreitet. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann ein Diagnose-Anfragesignal jederzeit ausgesendet werden. Ansprechend auf das Diagnose-Anfragesignal kann ein Sensorzustandssignal durch die bidirektionale Signalleitung ausgesendet werden.
7 zeigt ein Blockdiagramm, das ein Winkelsensorsystem 700 darstellt, das eine inkrementelle Schnittstelle mit Wirkleistung ein für Winkelsensoren gemäß einigen Ausführungsbeispielen umfasst. 8 zeigt Erfassungssignale des Winkelsensorsystems 700 von 7, die über Signalleitungen übertragen werden, im Hinblick auf eine Rotationsaktivität, gemäß einigen Ausführungsbeispielen. Wie in 7 gezeigt ist, umfasst das Winkelsensorsystem 700 eine inkrementelle Schnittstelle 112 umfassend eine unidirektionale Signalleitung IFC und eine bidirektionale Signalleitung IFZ die sich zwischen einem Winkelsensor 104 und einer Steuerung 114 erstreckt. Die unidirektionale Signalleitung IFC ist mit einem inkrementellen Pulsgenerator 704a des Winkelsensors 104 und einem inkrementellen Pulsdetektor 704b der Steuerung 114 verbunden. Die unidirektionale Signalleitung IFC ist ausgebildet zum Übertragen einer Mehrzahl von inkrementellen Pulsen 702 von dem inkrementellen Pulsgenerator 704a an den inkrementellen Pulsdetektor 704b. Die Mehrzahl von inkrementellen Pulsen 702 zeigt Rotationsinformationen an, wie beispielsweise Rotationsgeschwindigkeit, -Richtung.
8 zeigt Beispiele der inkrementellen Pulse 702, die verwendet werden, um die inkrementellen Rotationsinformationen zu übertragen. Wie in einem oberen Teil von 8 gezeigt ist, umfasst eine erste Art eines inkrementellen Signals 702a Rechteckimpulse mit einer vorbestimmten Pulsweite, die mit dem „Pulszählwert“ der inkrementellen Schnittstelle 112 korrelieren. Ein Spannungspegel der Rechteckimpulse zeigt eine Rotationsrichtung an, d. h. ein Hochspannungs-Rechteckimpuls, wie in einem ersten Teil 802 der ersten Art von inkrementellem Signal 702a gezeigt ist, zeigt die Rotation in Richtung einer ersten Richtung (z.B. einer Richtung im Uhrzeigersinn) an, und ein Niedrigspannungs-Rechteckimpuls, wie in einem zweiten Teil 804 der ersten Art von inkrementellem Signal 702a gezeigt ist, zeigt die Rotation in Richtung einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung (z.B. einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn) an. Ein redundanter Puls 806 kann während eines Umkehrpunktes der Richtungen erzeugt werden. Jeder der Pulse wird als eine Rotationswinkeleinheit detektiert oder gezählt und interpretiert. Zu Interprätationszwecken, ähnlich wie 2, zeigt 8 Beispielsituationen, wo die Rotation, die gemessen werden soll, in der ersten Richtung mit abnehmender Geschwindigkeit stattfindet und dann in die zweite Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung mit einer zunehmenden Geschwindigkeit übergeht. Die Pulsweite w ist vorbestimmt und ein Intervall zwischen Pulsen zeigt die Drehgeschwindigkeit an. Eine längere Pulsweite w' würde für den redundanten Puls an dem Umkehrpunkt der Richtungen detektiert werden. Wie in einem unteren Teil von 8 gezeigt ist, umfasst bei einigen anderen Ausführungsbeispielen eine zweite Art von inkrementellem Signal 702b Rechteckimpulse mit modulierten Weiten, zum Beispiel ein Paar aus Pulsen mit einer relativen kürzeren Pulsweite w1 und einer relativen längeren Pulsweite w2. Die Reihenfolge von kürzeren und längeren Pulsen zeigt die Rotationsrichtung an. Zum Beispiel zeigt der längere Puls w2, der dem kürzeren Puls w1 folgt, die Rotation in Richtung einer Richtung im Uhrzeigersinn an, wie in einem ersten Teil 808 gezeigt ist, und der kürzere Puls w1, der dem längeren Puls w2 folgt, zeigt die Rotation in Richtung einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn an, wie in einem zweiten Teil 810 gezeigt ist. Die Pulsweiten w1, w2 sind vorbestimmt und ein Intervall zwischen den Paaren aus Pulsen zeigt die Drehgeschwindigkeit an. Es wird darauf hingewiesen, dass abgesehen von Pulsen mit hohem oder niedrigem Signalpegel oder Pulspaaren mit kurzer und langer Pulsweite andere geeignete Pulsweitenmodulations- (PWM-) Nibbles verwendet werden können, um Rotationsrichtungen anzuzeigen, sodass der Verdrahtungszählwert weiter reduziert wird. Der Zweck dieses Verfahrens ist es, den Verdrahtungszählwert weiter zu reduzieren.
Bezugnehmend zurück auf 7 ist die bidirektionale Signalleitung IFZ mit einem Nulldurchgangspuls-Generator 148a, einem Anfrageempfänger 150b, und einem Winkelpositionscodierer 152a des Winkelsensors 104 und einem Nulldurchgangspuls-Empfänger 148b, einem Anfrage-Sender 150a und einem Winkelpositions-Decodierer 152b der Steuerung verbunden. Ähnlich zu der dritten Signalleitung IFZ, die in 2 oder 5 gezeigt und beschrieben ist, überträgt die bidirektionale Signalleitung IFZ ein Anfragesignal 132 von dem Anfrage-Sender 150a zu dem Anfrage-Empfänger 150b. Ansprechend auf das Anfragesignal 132 überträgt die bidirektionale Signalleitung IFZ ein Statussignal 135 von dem Winkelpositions-Codierer 152a zu dem Winkelpositions-Decodierer 152b, um eine Absolutrotationswinkelinformation anzuzeigen. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist das Statussignal 135 als ein Multibit-Binärsignal codiert. Das Statussignal 135 kann alternativ ein Sensorzustandssignal umfassen, das Zustände des Sensorbauelements anzeigt, wie z.B. Temperatur oder Belastung. Immer wenn das Sensorbauelement detektiert, dass eine vorbestimmte „Nulldurchgangsposition“ gekreuzt wird, überträgt die bidirektionale Signalleitung IFZ einen Nulldurchgangspuls 136, um den inkrementellen Pulsdetektor 704b zurückzusetzen. Durch Einbringen der Übertragung der inkrementellen Rotationsinformationen in eine unidirektionale Signalleitung IFC und Einbringen der Übertragungen der Absolutrotationswinkelinformationen, der Sensorzustandsinformationen und der Nulldurchgangs-Anzeigeinformationen in eine bidirektionale Signalleitung IFZ wird eine kompaktere Übertragung realisiert und der Betrag an Stiften, die für ein Sensorgehäuse benötigt werden, wird verringert.
9 konsolidiert den Übergang 902a von der standardmäßigen, inkrementellen Schnittstelle 900 unter Verwendung eines inkrementellen Informationskanals und des Null- (oder Referenz-) Punkt-Anzeigekanals auf die verbesserte Schnittstelle 901. Bei einigen Ausführungsbeispielen reduziert die verbesserte Schnittstelle den Verdrahtungsaufwand des inkrementellen Informationskanals, bei anderen Ausführungsbeispielen verwendet sie den Null-(oder Referenz-) Punkt-Anzeigekanal, um einen Mechanismus einer bidirektionalen Anfrage/Antwort-Kommunikation zu erlauben, die durch den Master initiiert wird. Diese bidirektionale Übertragung kann auf jeglicher Schnittstelle basieren, die dazu in der Lage ist (so wie, aber nicht beschränkt auf, das vorangehend erklärte Protokoll oder Verwendung von SPC, PSI5, 1-wire, i2c, SPI etc. als Alternative). Andere Ausführungsbeispiele können auch Diagnoseinformationen von dem Sensor (wie interne Diagnosemessungen) auf derselben Schnittstellenleitung anfragen. Weitere Ausführungsbeispiele können einen oder mehrere dieser Mechanismen in einem Aufbau kombinieren oder eine zusätzliche Verdrahtung addieren, um diese Informationen parallel zu übertragen (durch Addieren von mehr als einem IFZ-Draht), oder erlauben auch, dass eine Anfrage durch den Sensor initiiert wird (zum Beispiel zum Anzeigen eines fehlerhaften Zustands des Sensors bevor der Master einen neuen Diagnosezyklus initiieren muss). Einige
10 stellt einen Übergang 912a auf physischer Ebene dar, von dem standardmäßigen Schnittstellenaufbau 910b, der die Rotationsinformationen 910a überträgt, zu der verbesserten Schnittstelle 911 b, um die tatsächliche Winkelposition 911a zu bestimmen, ohne auf die Rotation zu dem nächsten Null- (oder Referenz-) Punkt des mechanischen Systems zu warten. Ausführungsbeispiele können die Verdrahtung entsprechend reduzieren oder Drähte für jeglichen Protokollstandard addieren, der eine bidirektionale Datenkommunikation erlaubt, wobei die Verdrahtungszahl aus Kostengründen vorzugsweise niedrig ist und die potenzielle Rückfalloption zu einer standardmäßigen inkrementellen Schnittstelle besteht. Diese bidirektionale Kommunikation wird durch einen Trigger- oder einen Anfragerahmen 915a von der Master-Vorrichtung initiiert, für die der Sensor einen Antwortrahmen 915b zurücksendet. Nichtsdestotrotz kann der Sensor bei anderen Ausführungsbeispielen auf Antwortrahmen 915b senden, ohne den Bedarf nach einem Trigger- oder Anfragerahmen 915a, um einen Notfall- oder Fehlerzustand dazwischen zu signalisieren, abgesehen von dem Senden des Null- oder Referenzpulses als kompatiblen Rückfall zu dem standardmäßigen inkrementellen Protokoll.
11 zeigt eine Erfassungssignal-Synchronisierung und ein Transformations-Protokoll gemäß einigen Ausführungsbeispielen. Wie in 11 gezeigt ist, überträgt ein Paar aus unidirektionalen Signalleitungen IFA, IFB inkrementelle Signale von einem Winkelsensor 104 zu einer Steuerung 114. Die inkrementellen Signale korrelieren mit dem „Pulszählwert“ der inkrementellen Schnittstelle und werden (durch einen Zähler) gezählt und als Rotationswinkel-Verschiebungen interpretiert. Bei einigen Ausführungsbeispielen sind die Signalleitungen A und B sind voneinander um eine Phasendifferenz versetzt, um eine Rotationsrichtung anzuzeigen. Eine bidirektionale Signalleitung IFZ überträgt ein Synchronisierungs-Anfragesignal und eine Absolutwinkel-Information über eine PSI5-Schnittstelle (PSI5=Peripheral Sensor Interface 5). Die Absolutwinkel-Information kann durch einen Absolutwinkel-Sensor erzeugt werden, ohne Verwendung der inkrementellen Signale, und kann in dem Winkelsensor gespeichert werden. Auf diese Weise stellen die inkrementellen Signale eine schnelle Aktualisierung der Rotationswinkel-Verschiebungen bereit. Sobald das Synchronisierungs-Anfragesignal empfangen wurde, können die Absolutwinkel-Informationen zusammen mit den inkrementellen Signalen verarbeitet werden, um eine Aktualisierung einer absoluten Position in Echtzeit oder zumindest vor dem Erreichen einer Referenzposition bereitzustellen. Das Synchronisierungs-Anfragesignal kann von der Steuerung 114 zu dem Winkelsensor 104 durch eine Spannungsmodulation (gezeigt als VDD) übertragen werden. Als ein Beispiel hat die VDD-Modulation einen Zeitrahmen (z.B. 400 µs) für die Synchronisierungspulsübertragung. Der Synchronisierungspuls wird erkannt, wenn die detektierte Spannung so moduliert ist, dass sie größer ist als ein Synchronisierungspuls-Erkennungspegel und die Pulsweite in einen vorbestimmten Bereich fällt. Die Absolutwinkel-Information kann ansprechend auf das Synchronisierungs-Anfragesignal von dem Winkelsensor 104 an die Steuerung 114 durch eine Strommodulation übertragen werden (gezeigt als IDD). Die IDD-Modulation hat ebenfalls einen Zeitrahmen (z.B. 100 µs) für jeden der Übertragungsdatenrahmen, der mehrere Bits (z.B. 20 Bits) umfasst, und einen Zeitschlitz (z.B. 5 µs) für jedes Bit des Übertragungsrahmens. Mehrere Übertragungsdatenrahmen könnten zum Übertragen der Absolutwinkel-Informationen verwendet werden. Die Übertragungsdatenrahmen werden periodisch von dem Winkelsensor 104 zu der Steuerung 114 gesendet. Ein minimaler Zeitabstand Tgap ist zwischen zwei Übertragungsdatenrahmen erforderlich. Jeder PSI5-Datenrahmen kann aus einer Anzahl von Bits bestehen, umfassend Datenbits, Bits einer zyklischen Redundanzprüfung (CRC; cyclic redundancy check) und andere Bits.
12 und 13 zeigen jeweils einige Übertragungsdatenrahmen-Beispiele von 11 gemäß einigen Ausführungsbeispielen. Wie in 12 und 13 gezeigt ist, kann jeder der Datenrahmen der übertragenen Absolutwinkelinformationen aus den folgenden Bits bestehen: Startbits (z.B. zwei Bits, die immer als „0“ codiert sind), Statusbits (optional 0, 1 oder 2 Bits, zeigen den Sensorstatus an), Rahmensteuerungsbits (optional 0, 1, 2, 3 oder 4 Bits, zeigen den Rahmentyp oder Dateninhalt an oder identifizieren den Sensor), Datenregion (z.B. 10-24 Bits, zeigen absolute Ortsinformation an) und CRC-Bits (z.B. 3 Bits für eine zyklische Redundanzprüfung für Fehlerdetektion). In einigen Fällen werden während der Initialisierung mit einem Datenbereichsverfahren, mehrere Datenrahmen verwendet, um eine Absolutpositionsinformation zu übertragen, und ein oder mehrere verbleibende Bits der Datenregionen dieser Rahmen können als freie Bits gesetzt werden, die für Statusinformationen und/oder zusätzliche CRC zur Prüfung verwendet werden könnten. 12 zeigt ein Beispiel, wo ein erster Datenrahmen verwendet wird, um 15 Bits eines Hall-Hauptpfadwerts zu übertragen und ein freies Bit zu lassen, und ein zweiter Datenrahmen verwendet wird, um 13 Bits eines Hall-Teilpfadwertes zu übertragen und 3 freie Bits zu lassen. Als ein alternatives Ausführungsbeispiel kann ein dritter Datenrahmen angeordnet sein, um die gesamten 16 Datenbits als freie Bits für Statusinformationen und/oder eine zusätzliche CRC-Prüfung für den ersten Datenrahmen und den zweiten Datenrahmen zu haben. Als ein Beispiel zum Übertragen einer absoluten Positionsinformation, die konsistent ist mit 12, zeigt 13 ein Beispiel, wo ein erster Datenrahmen verwendet wird, um die ersten 10 Bit von 12 zu übertragen, ein zweiter Datenrahmen verwendet wird, um die verbleibenden 5 Bit des Hall-Hauptpfadwerts und die ersten 5 Bit des Hall-Teilpfadwerts zu übertragen und ein dritter Datenrahmen verwendet wird, um die verbleibenden 8 Bit des Hall-Teilpfadwerts zu übertragen und 2 freie Bits zu lassen. Ein vierter Datenrahmen kann angeordnet sein, um die gesamten 10 Datenbits als freie Bits für Statusinformationen und/oder eine zusätzliche CRC-Prüfung für den ersten, zweiten und dritten Datenrahmen zu haben. Jeder des ersten, zweiten, dritten und vierten Datenrahmens hat drei CRC-Bits zur Fehlerprüfung.
Es wird darauf hingewiesen, dass die obigen Verfahren und Variationen derselben kombiniert und austauschbar verwendet werden können. Der beanspruchte Gegenstand kann als ein Verfahren, eine Vorrichtung oder ein Herstellungsartikel implementiert sein, die standardmäßige Programmierungs- und/oder Konstruktionstechniken verwenden, um Software, Firmware, Hardware oder jegliche Kombination derselben zu erzeugen, um einen Computer zu steuern, den offenbarten Gegenstand zu implementieren (z. B. sind die Systeme, die oben gezeigt sind, nicht einschränkende Beispiele eines Systems, das zum Implementieren von Verfahren verwendet werden kann). Der Ausdruck „Herstellungsartikel“, wie er hierin verwendet wird, soll ein Computerprogramm einschließen, das von jeglicher computerlesbaren Vorrichtung, einem Träger oder Medium aus lesbar ist. Natürlich werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass viele Modifikationen an dieser Konfiguration ausgeführt werden können, ohne von dem Wesen oder Schutzbereich des beanspruchten Gegenstandes abzuweichen. Zusätzlich dazu, während ein bestimmtes Merkmal der Erfindung möglicherweise im Hinblick auf nur eine von mehreren Implementierungen offenbart wurde, kann ein solches Merkmal mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie es für jegliche gegebene oder bestimmte Anwendung erwünscht oder vorteilhaft sein kann. Ferner, insoweit die Ausdrücke „umfassen“, „umfasst“, „haben“, „hat“, „mit“ oder Varianten derselben entweder in der detaillierten Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, sollen solche Ausdrücke umfassend sein, auf eine Weise ähnlich zu dem Ausdruck „aufweisen“.
Ein Winkelsensor umfasst ein Erfassungsmodul, das zum Erzeugen eines Erfassungssignals ausgebildet ist, das Messungen von Rotationsaktivitäten einer sich drehenden physischen Entität oder Zustände des Winkelsensors aufweist, und einen digitalen Prozessor, der zum Verarbeiten und Speichern des Erfassungssignals ausgebildet ist. Der Winkelsensor umfasst ferner eine inkrementelle Schnittstelle, die mit dem digitalen Prozessor gekoppelt ist und einen inkrementellen Pulsgenerator und einen Statusdatencodierer aufweist. Der inkrementelle Pulsgenerator ist ausgebildet, um das Erfassungssignal umzuwandeln und als inkrementelle Rechteckimpulse durch eine unidirektionale Signalleitung zu übertragen. Die inkrementellen Rechteckimpulse werden durch einen inkrementellen Pulsempfänger empfangen und verarbeitet, um Rotationswinkel und -Richtung der physischen Entität zu erzeugen. Der Statusdatencodierer ist ausgebildet, um das Erfassungssignal umzuwandeln und als einen Nulldurchgangspuls und ein Statussignal durch eine bidirektionale Signalleitung zu übertragen. Das Statussignal wird durch einen Statusdatendecodierer empfangen und verarbeitet, um ein Winkelpositionssignal oder ein Sensorzustandssignal zu erzeugen.
Das Winkelsensorsystem umfasst ein Erfassungsmodul, das ausgebildet ist, um ein Roh-Rotationssignal zu erzeugen, das Messungen von Rotationsgeschwindigkeit und -Position einer sich drehenden physischen Entität enthält, und einen Analog-zu-Digital-Wandler (ADC), der ausgebildet ist, um das Roh-Rotationssignal zu empfangen und in ein digitales Rotationssignal umzuwandeln. Das Winkelsensorsystem umfasst ferner einen digitalen Prozessor, der ausgebildet ist, um das digitale Rotationssignal zu verarbeiten und zu speichern, und eine inkrementelle Schnittstelle, die mit dem digitalen Prozessor gekoppelt ist und ausgebildet ist, um inkrementelle Signale umzuwandeln und von dem Erfassungsmodul durch eine erste unidirektionale Signalleitung und eine zweite unidirektionale Signalleitung zu übertragen, und ein Anfragesignal zu empfangen und ein Winkelpositionssignal und einen Nulldurchgangspuls durch eine bidirektionale Signalleitung zu übertragen. Das Winkelsensorsystem umfasst ferner eine Steuerung, die mit der inkrementellen Schnittstelle durch die erste und zweite unidirektionale Signalleitung und die bidirektionale Signalleitung gekoppelt ist, um das Anfragesignal zu senden und die inkrementellen Signale und das Winkelpositionssignal zu empfangen und zu verarbeiten, um ein Absolutrotationswinkelsignal zu erzeugen.
Ein Winkelsensor umfasst ein Erfassungsmodul, das ausgebildet ist, um ein Rotationssignal zu erzeugen, das Messungen von Rotationsgeschwindigkeit und -Position einer sich drehenden physischen Entität enthält, und eine inkrementelle Schnittstelle, die mit dem Erfassungsmodul gekoppelt ist und ausgebildet ist, um inkrementelle Signale durch eine erste unidirektionale Signalleitung und eine zweite unidirektionale Signalleitung von dem Erfassungsmodul zu einem Zähler einer Steuerung zu übertragen und ein Winkelpositionssignal und einen Nulldurchgangspuls durch eine bidirektionale Signalleitung zu übertragen. Die inkrementelle Schnittstelle ist ausgebildet, um das Winkelpositionssignal zu übertragen, sobald ein Anfragesignal über die bidirektionale Signalleitung empfangen wird.
Ein Winkelsensor umfasst ein Erfassungsmodul, das ausgebildet ist, um ein Rotationssignal zu erzeugen, das Messungen von Rotationsgeschwindigkeit und -Position einer sich drehenden physischen Entität enthält; und eine inkrementelle Schnittstelle, die mit dem Erfassungsmodul gekoppelt ist und ausgebildet ist, um inkrementelle Signale durch eine einzelne unidirektionale Signalleitung von einem Codierer des Erfassungsmoduls zu einem Detektor einer Steuerung zu übertragen und ein Winkelpositionssignal und einen Nulldurchgangspuls durch eine einzelne bidirektionale Signalleitung zu der Steuerung zu übertragen. Die Steuerung ist ausgebildet, um das inkrementelle Signal und das Winkelpositionssignal oder den Nulldurchgangspuls zu empfangen und zu verarbeiten, um ein Absolutrotationswinkelsignal zu erzeugen.
Ein Verfahren zum Betreiben eines Winkelsensors umfasst das Senden eines Absolutwinkel-Anfragesignals zu dem Winkelsensor durch eine bidirektionale Signalleitung einer inkrementellen Schnittstelle des Winkelsensors. Das Verfahren umfasst ferner das Senden eines Winkelpositionssignals durch die bidirektionale Signalleitung der inkrementellen Schnittstelle und das Übertragen inkrementeller Signale, die Rechteckimpulse umfassen, pro Winkelschritt mit einer quantisierten Schrittgröße und einer 90° Phasenverschiebung durch eine erste unidirektionale Signalleitung und/oder eine zweite unidirektionale Signalleitung nach dem Empfangen des Absolutwinkel-Anfragesignals. Das Verfahren umfasst ferner das Verarbeiten des Winkelpositionssignals und der inkrementellen Signale, um ein Absolutrotationswinkelsignal zu erzeugen, bevor ein Nulldurchgangspuls detektiert wird.

Claims

Ein Winkelsensor umfassend: ein Erfassungsmodul, das zum Erzeugen eines Erfassungssignals ausgebildet ist, das Messungen von Rotationsaktivitäten oder von einer oder mehreren Dimensionen einer sich drehenden physischen Entität oder von Zuständen des Winkelsensors enthält; eine Schaltung zum Verarbeiten und Speichern des Erfassungssignals; eine inkrementelle Schnittstelle umfassend einen inkrementellen Pulsgenerator auf einem unidirektionalen Übertragungskanal, und einen Referenzpuls-Sender und einen Datencodierer auf einem bidirektionalen Übertragungskanal; wobei die inkrementelle Schnittstelle ausgebildet ist, um inkrementelle Änderungen des Erfassungssignals umzuwandeln und als Pulse durch eine oder mehrere Signalleitungen zu übertragen, und die Pulse werden durch einen inkrementellen Pulsempfänger empfangen und verarbeitet, um Winkel- und Richtungs-Änderungen der physischen Entität zu erzeugen; wobei der Referenzpuls-Sender zum Übertragen eines Referenzpulses durch eine Signalleitung an einer vordefinierten Winkelposition ausgebildet ist, um es dem inkrementellen Pulsempfänger zu ermöglichen, eine Referenzposition zu bestimmen, aus der die inkrementellen Änderungen in dem inkrementellen Pulsempfänger verarbeitet werden, um eine Absolutwinkelposition zu erzeugen, und der Datencodierer ausgebildet ist, um Daten zu übertragen, die von dem Empfänger angefordert werden, zu einem beliebigen Zeitpunkt über eine oder mehrere Signalleitungen.
Der Winkelsensor gemäß Anspruch 1, wobei die Daten, die durch den Sensor angefordert und durch den Empfänger verarbeitet werden, ein Absolutwinkelpositionssignal, ein Relativwinkelpositionssignal, ein Sensorzustand, eine Sensorkonfiguration oder ein beliebiges Sensordiagnoseergebnis aus einem eingebauten Selbsttest sind.
Ein Winkelsensorsystem umfassend: ein Erfassungsmodul, das ausgebildet ist, um ein Roh-Rotationssignal zu erzeugen, das Messungen von Rotationsgeschwindigkeit und -Position einer sich drehenden physischen Entität und andere physische Zustände enthält; einen oder mehrere Analog-zu-Digital-Wandler (ADC), die ausgebildet sind, um das Roh-Rotationssignal und andere physische Zustände zu empfangen und in ein digitales Rotationssignal und optionale digitale Zustandssignale umzuwandeln; einen digitalen Prozessor, der ausgebildet ist, um das digitale Rotationssignal und optionale digitale Zustandssignale zu verarbeiten und zu speichern; eine inkrementelle Schnittstelle, die mit dem digitalen Prozessor gekoppelt ist und ausgebildet ist, um inkrementelle Signale von dem Erfassungsmodul umzuwandeln und zu übertragen, das zwei unidirektionale Signalleitungen und eine bidirektionale Signalleitung aufweist; wobei die inkrementellen Signale als Winkelschritte durch Pulse und eine Richtung der Winkelschritte durch eine Phasenverschiebung zwischen den inkrementellen Signalen codiert sind und durch die zwei unidirektionalen Signalleitungen übertragen werden; wobei die bidirektionale Signalleitung ausgebildet ist, um einen Referenzpuls zu übertragen, um eine Absolutwinkelposition in Relation zu der inkrementellen Schnittstelle zu bestimmen und ein Anfragesignal zu empfangen, das die Übertragung eines Winkelpositionssignals initiiert; und eine Steuerung, die mit der inkrementellen Schnittstelle durch die zwei unidirektionalen Signalleitungen, um die inkrementellen Signale zu verarbeiten, um relative Winkeländerungen zu bestimmen, und durch die bidirektionale Signalleitung gekoppelt ist, um entweder einen Referenzpuls wiederzugewinnen oder eine Winkelposition, Sensorzustand, Sensorstatus, Sensorkonfiguration oder Sensorselbsttest anzufordem und zu empfangen.
Das Winkelsensorsystem gemäß Anspruch 3, wobei das Absolutrotationswinkelsignal vor dem Empfangen des Referenzpulses angefordert und erzeugt wird.
Das Winkelsensorsystem gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei die inkrementellen Signale, die die Inkremente und Richtung des Winkelsignals bestimmen, durch PWM-codierte Signale in eine einzelne unidirektionale Leitung kombiniert werden.
Das Winkelsensorsystem gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die angeforderten und wiedergewonnenen Informationen auf der bidirektionalen Signalleitung eine binäre Zahl aufweisen, die in dem digitalen Prozessor verarbeitet und gespeichert wird, wobei die binäre Zahl durch ein Multibit-Binärsignal ansprechend auf das Anfragesignal von der Steuerung in einer seriellen oder parallelen Übertragung mit Null oder mehr zusätzlichen Signal- und Steuerungs-Leitungen übertragen wird.
Das Winkelsensorsystem gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das Anfragesignal einen einzelnen Puls umfasst.
Das Winkelsensorsystem gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei das Anfragesignal eine Anfrage eines Sensorstatus-Anfragesignals aufweist, umfassend interne Spannungen, Temperatur oder Belastung, eine Konfigurationsanfrage oder eine Sensordiagnoseanfrage.
Das Winkelsensorsystem gemäß einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei das Anfragesignal an die inkrementelle Schnittstelle über die bidirektionale Signalleitung ausgesendet wird, wenn das Winkelsensorsystem eingeschaltet ist.
Das Winkelsensorsystem gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei die bidirektionale Signalleitung Daten zu und von der Steuerung gemäß einem Kommunikationsprotokoll überträgt, das einen Kurz-Pulsweitenmodulations-Code (SPC; short pulse width modulation code), einen universellen, asynchronen Empfänger/Sender (UART; universal asynchronous receiver/transmitter), eine Peripherie-Sensorschnittstelle (PSI; peripheral sensor interface) mit zusätzlichen Steuerleitungen, die eine serielle Peripherie-Schnittstelle (SPI; serial peripheral interface) einsetzen und eine I2C-Schnittstelle (I2C; inter-integrated circuit interface) und eine verteilte Systemschnittstelle (DSI; distributed systems interface) zur Datencodierung verwendet.
Ein Winkelsensor umfassend: ein Erfassungsmodul, das ausgebildet ist, um ein Rotationssignal zu erzeugen, das Messungen von Rotationsgeschwindigkeit und -Position einer sich drehenden physischen Entität enthält; und eine inkrementelle Schnittstelle, die mit dem Erfassungsmodul gekoppelt ist und ausgebildet ist, um inkrementelle Signale durch eine erste unidirektionale Signalleitung und eine zweite unidirektionale Signalleitung von dem Erfassungsmodul zu einem Zähler einer Steuerung zu übertragen und ein Winkelpositionssignal und einen Referenzpuls durch eine bidirektionale Signalleitung zu übertragen; wobei die inkrementelle Schnittstelle ausgebildet ist, um das Winkelpositionssignal zu übertragen, sobald ein Winkelpositions-Anfragesignal über die bidirektionale Signalleitung empfangen wird.
Der Winkelsensor gemäß Anspruch 11, wobei die erste unidirektionale Signalleitung und die zweite unidirektionale Signalleitung ausgebildet sind, um die inkrementellen Signale zu übertragen, die pro Winkelschritt Rechteckimpulse mit einer quantisierten Schrittgröße und einer Phasenverschiebung zwischen der ersten unidirektionalen Signalleitung und der zweiten unidirektionalen Signalleitung umfassen.
Der Winkelsensor gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei die bidirektionale Signalleitung ausgebildet ist, um den Referenzpuls von der inkrementellen Schnittstelle zu der Steuerung zu übertragen, sobald eine Referenzposition detektiert wird.
Der Winkelsensor gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Steuerung ausgebildet ist, um die inkrementellen Signale und das Winkelpositionssignal zu empfangen, um ein Absolutdrehwinkelsignal zu erzeugen.
Der Winkelsensor gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Steuerung ausgebildet ist, um einen Zähler auf einen Referenzwert der Steuerung zu setzen, sobald das Anfragesignal gesendet wird.
Der Winkelsensor gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei das Winkelpositionssignal, das von der bidirektionalen Signalleitung empfangen wird, verwendet wird, um die inkrementellen Signale zu versetzen, die von der ersten und zweiten unidirektionalen Signalleitung empfangen werden, um ein Absolutrotationswinkelsignal zu erzeugen, bevor der Referenzpuls erzeugt wird.
Der Winkelsensor gemäß Anspruch 16, wobei das Absolutrotationswinkelsignal geprüft wird, wenn der Referenzpuls empfangen wird, und wobei ein Absolutwinkel-Anfragesignal an die inkrementelle Schnittstelle ausgesendet wird, wenn ein Versatz des Absolutrotationswinkelsignals einen Schwellenpegel überschreitet.
Der Winkelsensor gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei die bidirektionale Signalleitung ein Sensorzustandssignal von der inkrementellen Schnittstelle zu der Steuerung überträgt.
Ein Winkelsensor, umfassend: ein Erfassungsmodul, das ausgebildet ist, um ein Rotationssignal zu erzeugen, das Messungen von Rotationsgeschwindigkeit und -Position einer sich drehenden physischen Entität enthält; und eine inkrementelle Schnittstelle, die mit dem Erfassungsmodul gekoppelt ist und ausgebildet ist, um inkrementelle Signale durch eine einzelne unidirektionale Signalleitung von einem Codierer des Erfassungsmoduls zu einem Detektor einer Steuerung zu übertragen und ein Winkelpositionssignal und einen Referenzpuls durch eine einzelne bidirektionale Signalleitung zu der Steuerung zu übertragen; wobei die Steuerung ausgebildet ist, um das inkrementelle Signal und das Winkelpositionssignal oder den Referenzpuls zu empfangen und zu verarbeiten, um ein Absolutrotationswinkelsignal zu erzeugen.
Der Winkelsensor gemäß Anspruch 19, wobei die inkrementelle Schnittstelle ausgebildet ist, um inkrementelle Signale zu übertragen, die Paare aus einem kurzen Puls und einem langen Puls umfassen.
Ein Verfahren zum Betreiben eines Winkelsensors, das Verfahren umfassend: Senden eines Absolutwinkel-Anfragesignals zu dem Winkelsensor durch eine bidirektionale Signalleitung einer inkrementellen Schnittstelle des Winkelsensors; nach dem Empfangen des Absolutwinkel-Anfragesignals, Übertragen eines Winkelpositionssignals durch die bidirektionale Signalleitung der inkrementellen Schnittstelle und Übertragen inkrementeller Signale, die pro Winkelschritt Rechteckimpulse mit einer quantisierten Schrittgröße und einer 90° Phasenverschiebung umfassen, durch eine erste unidirektionale Signalleitung und/oder eine zweite unidirektionale Signalleitung; Verarbeiten des Winkelpositionssignals und der inkrementellen Signale, um ein Absolutrotationswinkelsignal zu erzeugen, bevor ein Nulldurchgangspuls detektiert wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 21, ferner umfassend das Prüfen des Absolutrotationswinkelsignals, wenn der Nulldurchgangspuls empfangen wird, und das Aussenden eines anderen Absolutwinkel-Anfragesignals an die inkrementelle Schnittstelle, wenn ein Versatz des Absolutrotationswinkelsignal einen Schwellenpegel überschreitet.
Das Verfahren gemäß Anspruch 21 oder 22, ferner umfassend das Senden eines Diagnose-Anfragesignals an den Winkelsensor durch die bidirektionale Signalleitung einer inkrementellen Schnittstelle des Winkelsensors und das Übertragen eines Nulldurchgangspulses durch die bidirektionale Signalleitung.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 23, ferner umfassend das Übertragen eines Diagnosesignals durch die bidirektionale Signalleitung.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 24, ferner umfassend das Bestimmen einer Rotationsgeschwindigkeit des Winkelsensors durch Verarbeiten der inkrementellen Signale, die durch die erste unidirektionale Signalleitung und die zweite unidirektionale Signalleitung empfangen werden.