-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verarbeitung eines Messsignals von einem Magnetfeld-Sensor.
-
Die berührungslose Messung eines Drehwinkels mit Hilfe eines Messsignals eines Magnetfeld-Sensors ist bekannt. Zum Beispiel ist aus der Veröffentlichung von Reymond, S. et al. „True 2-D CMOS Integrated Hall Sensor", IEEE SENSORS 2007 Conference, Seiten 860 - 863, eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung eines Drehwinkels bekannt, die ein Halbleiter-Substrat aufweist, in welchem als Magnetfeld-Sensoren 64 sogenannte vertikale Hall-Sensoren integriert sind. Die Magnetfeld-Sensoren in dieser Veröffentlichung sind in gleichmäßigen Abständen zueinander auf einer in der Chip-Ebene des Halbleiter-Substrats liegenden Kreisbahn angeordnet. Die vertikalen Ebenen, in denen sich die Magnetfeld-Sensoren erstrecken, sind jeweils radial zu einer gedachten Mittelachse angeordnet, die durch die Kreismitte der Kreisbahn verläuft und orthogonal zur Chip-Ebene angeordnet ist. Die Magnetfeld-Sensoren sind derart mit einer Abtasteinrichtung verbunden, dass Messsignale der einzelnen Magnetfeld-Sensoren nacheinander an einen differenziellen Ausgangsanschluss für ein Rotationsabtastsignal anlegbar sind. Die Werte der Magnetfeld-Sensoren werden demnach zyklisch rotierend ausgelesen.
-
Europäisches Patent Nr.
EP2 149 797 (Micronas GmbH) offenbart eine Vorrichtung zur Messung eines Winkels, bei der ein Magnetfeld in einer Ebene angeordnet ist. Die Vorrichtung weist mindestens zwei Magnetfeld-Sensoren auf, die mit ihren Messachsen in und/oder parallel zu der Ebene angeordnet und quer zueinander orientiert sind.
-
Metz et al. beschreiben auch die kontaktlose Messung eines Drehwinkels in der Veröffentlichung
„Contactless Angle Measurement Osing Für Hall Devices on Single Chip", Transducers, 1997 International Conference on Solid-State Sensors and Aktuators, Chicago, 16-19 June 1997. Diese Veröffentlichung zeigt vier laterale Hall-Sensoren, die in gleichmäßigen Abständen zueinander auf einer in der Chip-Ebene des Halbleiter-Substrats liegenden Kreisbahn angeordnet sind. Ein Dauermagnet mit zwei Polen ist am Ende einer drehenden Achse angebracht und erzeugt ein Magnetfeld in den Hall-Sensoren. Die gleiche Vorrichtung ist in der Europäischen Patentschrift Nr.
EP-B-0 916 074 beschrieben.
-
Die bekannten Vorrichtungen haben die Gemeinsamkeit, dass ein Dauermagnet auf ein drehbares Element montiert ist und ein Magnetfeld erzeugt, das von dem Hall-Sensor erfasst wird, der ein Messsignal liefert. Es besteht Bedarf, das Signalverarbeitungsverfahren der gelieferten Messsignale weiterzuentwickeln, um die Genauigkeit der Messung zu verbessern und die Anzahl von Magnetfeld-Sensoren auf ein Minimum zu reduzieren.
-
Eine Vorrichtung zur Verarbeitung eines Messsignals von mehreren Magnetfeld-Sensoren ist in dieser Beschreibung offenbart. Diese Vorrichtung umfasst einen Dauermagneten, eine Mehrzahl der Magnetfeld-Sensoren, die Signalwerte der Messsignale liefern, und eine Signalverarbeitungseinheit. Die Signalverarbeitungseinheit ist angepasst, die Signalwerte der Mehrzahl der Magnetfeld-Sensoren zu erfassen, und aus den erfassten Signalwerten eine Frequenzkomponente der Grundwelle (Grundfrequenz) zu filtern.
-
In einem Aspekt sind die Magnetfeld-Sensoren Hall-Sensoren. Diese Magnetfeld-Sensoren können aus der gefilterte Grundfrequenz den Wert eines Drehwinkels bestimmen.
-
In einem Aspekt sind die Magnetfeld-Sensoren lateral Hall-Sensoren, welche vorzugsweise gleichwinklig in einer Kreisbahn angeordnet sind, da diese Anordnung die Berechnung des Drehwinkels vereinfacht. Grundsätzlich könnten die Magnetfeld-Sensoren (Hall-Sensoren) in anderen Positionen angeordnet sein.
-
Die Ableitung der Spektralkomponente aus dem Messsignal erfolgt mittels einer Transformation, z.B. einer Fourier-Transformation.
-
Der Dauermagnet kann zwei- oder vierpolig ausgebildet sein. Grundsätzlich käme auch ein sechs- oder mehrpoliger Dauermagnet in Betracht, wobei diese aus Praktikabilitätsgründen ausscheiden. Der Dauermagnet ist in einem Aspekt um eine Rotationsachse drehbar, die im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene ist, und die Rotationsachse verläuft im Wesentlichen durch die Kreismitte.
-
Ein Verfahren zur Verarbeitung eines Messsignals von mehreren Magnetfeld-Sensoren wird auch offenbart. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Erfassen der Signalwerte eines Magnetfelds in zumindest drei Magnetfeld-Sensoren, die von dem Magnetfeld durchzogen sind, und Filtern einer Frequenzkomponente der Grundwelle (Grundfrequenz) des Magnetfelds aus den gemessenen Signalwerten. Das Verfahren kann zur Berechnung des Drehwinkels aus der filtrierten Frequenzkomponente verwendet werden.
-
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nun einige Ausführungsbeispiele anhand der folgenden Figuren erläutert, wobei die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist und Aspekte von einer Ausführungsform mit Aspekten einer weiteren Ausführungsform kombiniert werden können. Es zeigen:
- 1 eine Übersichtsfigur eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens;
- 2 eine Draufsicht der Magnetfeld-Sensoren auf einer Chip-Ebene;
- 3 Messsignale der Magnetfeld-Sensoren;
- 4 ein verzerrtes Messsignal;
- 5 eine spektrale Darstellung der Frequenzen des Messsignals;
- 6-8 weitere spektrale Darstellungen der Frequenzen; und
- 9 den Ablauf des Verfahrens.
-
1 zeigt eine Übersicht der Vorrichtung in einem ersten nichtlimitierenden Aspekt der Erfindung. In diesem Aspekt hat die Vorrichtung 10 einen Magneten 60 z.B. einen Dauermagneten, welcher an der Stirn 63 einer Achse 65 aufgebracht ist und ein Magnetfeld B(φ) erzeugt. Die Achse 65 dreht sich um eine Rotationsachse 70 und die Vorrichtung 10 kann einen Drehwinkel φ 15 der Achse 65 messen.
-
Auf einem Halbleiter-Substrat (Chip) 35 sind in diesem exemplarischen Aspekt drei Magnetfeld-Sensoren, z.B. laterale Hall-Sensoren 40a-40c in einer Kreisbahn 50 aufgebracht. Diese Magnetfeld-Sensoren 40a-c sind in 2 mit der Kreisbahn 50 in einer Draufsicht dargestellt. Die Kreisbahn 50 befindet sich in einer Chip-Ebene 30 unterhalb des Magneten 60. Die Rotationsachse 70 der Achse 65 verläuft durch die Kreismitte 55 der Kreisbahn 50 und ist im Wesentlichen orthogonal zur Chip-Ebene 30 und somit auch orthogonal zur Oberfläche des Halbleiter-Substrats 35 angeordnet. Die Magnetfeld-Sensoren 40a-40c sind über Leitungen 80 an eine Signalverarbeitungseinheit 90 gebunden. Die Signalverarbeitungseinheit 90 nimmt die Signalwerte VS1 , VS2 , VS3 , von den Magnetfeld-Sensoren 40a-40c an und berechnet daraus den Wert des Drehwinkels 15.
-
2 zeigt, dass die drei lateralen Hall-Sensoren 40 a- f im Wesentlichen gleichwinklig in der Kreisbahn 50 angeordnet sind. Der Dauermagnet 60 in dieser Figur ist zweipolig. Grundsätzlich kann der Dauermagnet 60 auch weitere Polen haben. Der Dauermagnet 60 zeigt den magnetischen Messwinkel 15 φ und hat eine Flussdichte B0 . Die Signalwerte der Messsignale VS1 , VS2 , VS3 , der drei lateralen Hall-Sensoren 40a-f sind auf Grund der jeweiligen Winkelverschiebung auf der Kreisbahn 50 durch ± 2π/3 phasenverschoben und in 3 ideal dargestellt. Bei der Darstellung in 3 wird davon ausgegangen, dass der Dauermagnet 60 ein ideales Feld erzeugt.
-
In diesem idealen Aspekt bilden die erfassten Signal-Werte des Magnetfelds des Dauermagneten 60 eine Sinuskurve über die gesamte Kreisbahn 50, die an drei Positionen von den drei lateralen Hall-Sensoren 40a-c erfasst wird. In anderen Worten entspricht die Frequenz der dargestellten Kurve der Basisfrequenz f1 .
-
Es ist bekannt, dass reale Magnete erzeugen kein rein sinusförmiges Magnetfeld entlang der Kreisbahn 15, sondern es existieren Verzerrungen wie in 4 vereinfacht dargestellt. Dieses in 4 dargestellten Sensorsignal kann in eine Grundwelle und mehrere Oberwellen zerlegt werden. 4 zeigt die Zerlegung in die Grundwelle und die dritte Oberwelle. In der Praxis ist die dritte Oberwelle von allen Oberwellen am stärksten ausgeprägt.
-
Durch eine Transformation z.B. eine Fourier-Transformation lässt sich eine spektrale Darstellung der Bestandteile des erfassten Magnetfelds B(φ) erstellen, die in 5 abgebildet ist. Aus der 5 ist die Stärke der jeweiligen Frequenzkomponente zu erkennen. Die Grundwelle des Magnetsignals erscheint als Spektrallinie bei Frequenz f1 (der Grundfrequenz) und die 3. Oberwelle als Linie bei 3f1 .
-
Wie oben ausgeführt, wird das Magnetfeld B(φ) durch die Hall-Sensoren 40a-c abgetastet. Es ist bekannt, dass bei der punktuellen Abtastung eines Signals Frequenzen über die sogenannte Nyquistfrequenz fnyq demoduliert werden. Zum Bespiel soll in 8 das Magnetfeld B(φ) mit vier Hall-Sensoren an vier äquidistanten Position auf der Kreisbahn 50 abgetastet werden (d.h. Abtastfrequenz fs = 4 f1 ), so werden Frequenzen über die Nyquistfrequenz fnyq = 2 f1 in diesem Aspekt demoduliert. Diese Demodulation ist in 8 gezeigt. In ähnlicher Weise wird berechnet, dass die Nyquistfrequenz fnyq = 1.5 f1 bei der Abtastung mit den drei Hall-Sensoren 40a-c in 2 (Abtastfrequenz fs = 3f1) beträgt.
-
Aus 6 (vier Magnetfeld-Sensoren) ist zu entnehmen, dass die dritte Oberwelle bei 3 f1 auf die Grundwelle bei der Grundfrequenz f1 heruntergefaltet ist. Ebenso ist die fünfte Oberwelle 5f1 auf -f1 gefaltet, wobei -f1 nicht unterscheidbar von f1 ist. Nach der Demodulation einer Oberwelle auf die Grundwelle, können die Oberwellen nicht mehr von der Grundwelle unterschieden werden. Somit würden unvermeidliche Winkelfehler in einer derartigen Berechnung des Winkels 15 entstehen.
-
Eine Lösung zu dieser Problematik entsteht darin, eine größere Anzahl von Magnetfeld-Sensoren 40 zu verwenden. Die Abtastfrequenz fs wäre dabei höher und somit wären nur noch höhere ungerade Oberwellen auf die Grundwelle f1 demoduliert. Diese höheren Oberwellen haben in der Regel einen schwächeren Wert und können vernachlässigt werden. Eine höhere Anzahl der Magnetfeld-Sensoren 40 hätte aber den Nachteil, dass der Rechenaufwand steigt.
-
Eine weitere Lösung ergibt sich durch die Verwendung einer ungeraden Anzahl von Magnetfeld-Sensoren 40. 7 zeigt zum Beispiel die Demodulation bei einer Anzahl von fünf Hall-Sensoren 40 auf der Kreisbahn 50. Aus dieser 7 ist zu entnehmen, dass erst die vierte Oberwelle bei 4f1 auf die Grundwelle f1 fällt und die sechste Oberwelle bei 6f1 auf die -f1 fällt. Keine der ungeraden Oberwellen fällt bei der Verwendung einer ungeraden Anzahl von Hall-Sensoren 40 auf die Grundwelle.
-
In der Regel sind die Werte der ungeraden Oberwellen stärker ausgeprägt als die der geraden Oberwellen. Solche ungeraden Oberwellen verursachen demzufolge die größten Fehler bei der Winkelberechnung und es ist vorteilhaft, wenn diese ungeraden Oberwellen nicht auf die Grundwelle demoduliert werden. Wie oben erwähnt nimmt die Stärke des Signals bei höheren Oberwellen ab. Eine Demodulation der vierten Oberwelle auf die Grundwelle führt demzufolge zu weniger stark ausgeprägten Winkelfehlern.
-
Eine Kombination eines vierpoligen Dauermagneten 60 mit fünf Hall-Sensoren ist in 18 gezeigt. Die Oberwellen des vierpoligen Dauermagneten 60 liegen bei 4f1 , 6f1 , usw., und die Grundwelle bei 2f1 . An den ungeradzahligen Frequenzen befinden sich Lücken in dem Frequenzspektrum. Bei einer einfachen Demodulation würde die (nicht vorhandene) Frequenz 3f1 auf die Grundwelle bei 2f1 fallen und die ebenfalls nicht vorhanden Frequenz 7f1 auf -2f1 . Erst nach einer zweifachen Demodulation fällt f8 auf -2f1 . Diese ist aber nicht in 8 gezeigt.
-
Bei einem vierpoligen Dauermagneten 60 ist fünf die geringste Anzahl von Hall-Sensoren auf der Kreisbahn 50, ohne dass die ungeraden Oberwellen auf die Grundwelle demoduliert werden. Bei einer geraden Anzahl von Hall-Sensoren wären zehn Hall-Sensoren erforderlich, um 8 f1 auf 2f1 zu falten. Dies würde aber den doppelten Rechenaufwand darstellen.
-
Grundsätzlich fallen bei einer ungeraden Anzahl von Magnetfeld-Sensoren 40 sämtliche gerade Frequenzen bei einer einfachen Demodulation auf ungerade Frequenzen. Solche ungeraden Frequenzen stören die Winkelberechnung nicht. Erst nach einer zweifachen Demodulation fallen gerade Frequenzen auf gerade Frequenzen.
-
Für die Bestimmung des Magnetwinkels 15 muss lediglich die Grundwelle mit der Grundfrequenz f1 des Magnetfelds erzeugt durch den Magneten 60 berücksichtigt werden. Die übrigen Komponenten des Spektrums, die nach Abtastung zwischen 0 und fs/2 liegen, müssen durch eine Filterung unterdrückt werden. Diese Filterung kann über ein Kalmanfilter, eine PLL, oder eine Korrelationsanalyse erfolgen. Die Phaseninformation der Grundwelle liefert dabei den Magnetwinkel 15 durch eine Arcustangensberechnung.
-
Bei dem beschriebenen System funktioniert eine ungerade Anzahl von Magnetfeld-Sensoren 40 mit jedem Magneten 60 mit beliebiger Anzahl von Polen, da die Anzahl von Polen immer gerade ist. Bei einer geraden Anzahl von Hall-Sensoren 40 darf die Polzahl nicht identisch mit der Anzahl der Hall-Sensoren 40 sein. Somit kann bei einem sechspoligen Dauermagneten auch fünf Magnetfeld-Sensoren, aber nicht sechs Hall-Sensoren verwendet werden.
-
Es ist auch bekannt, dass die Positionierung des Magneten 60 gegenüber dem Sensorchip mit den Magnetfeld-Sensoren 40 auch Oberwellen verursacht (vgl. 7). Das hierin beschriebene System eliminiert auch die Effekte einer falschen Positionierung. Ein Sensorrauschen wird auch bei der spektralen Filterung der Signale reduziert, da höhere Frequenzen ebenfalls unterdrückt werden.
-
Der Ablauf des Verfahrens ist in 11 dargestellt. In einem ersten Schritt 200 werden die Signalwerte des Magnetfeld durch die Magnetfeld-Sensoren 40 erfasst und ggfs. abgespeichert. In dem nächsten Schritt 210 wird durch eine Transformation die Frequenzkomponente der erfassten Signalwerte berechnet. Die unnötigen Frequenzkomponenten werden in einem weiteren Schritt 220 wegfiltriert und in dem Schritt 230 wird der Winkel 15 aus der Real- und Imaginärteil der Signalwerte durch eine Arcustangensberechnung berechnet.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Vorrichtung
- 15
- Drehwinkel
- 30
- Chip-Ebene
- 35
- Halbleiter-Substrat
- 40a-f
- Erste laterale Hall-Sensoren
- 50
- Kreisbahn
- 55
- Kreismitte
- 60
- Magnet
- 65
- Achse
- 70
- Rotationsachse
- 75
- Störleiter
- 80
- Leitungen
- 90
- Signalverarbeitungseinheit
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 2149797 [0003]
- EP 0916074 B [0004]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Reymond, S. et al. „True 2-D CMOS Integrated Hall Sensor“, IEEE SENSORS 2007 Conference, Seiten 860 - 863 [0002]
- „Contactless Angle Measurement Osing Für Hall Devices on Single Chip“, Transducers, 1997 International Conference on Solid-State Sensors and Aktuators, Chicago, 16-19 June 1997 [0004]
