DE102018101441A1

DE102018101441A1 - Magnetsensor-Positionsmessung mit Phasenkompensation

Info

Publication number: DE102018101441A1
Application number: DE102018101441.4A
Authority: DE
Inventors: Aude Richard; Jochen Schmitt; Monsoon Dutt; Pete James Tonge
Original assignee: Analog Devices Global ULC
Current assignee: Analog Devices International ULC
Priority date: 2017-01-31
Filing date: 2018-01-23
Publication date: 2018-08-02
Also published as: CN108375384B; US20180216965A1; KR102536006B1; US10859406B2; CN108375384A; KR20180089314A

Abstract

Aspekte der vorliegenden Offenbarung betreffen das Korrigieren einer Phasenverschiebung zwischen Signalen, die mit einem Winkelsensor und einem Mehrfach-Windungs-Sensor, der magnetoresistive Elemente enthält, assoziiert sind. Eine Verarbeitungsschaltung kann eine Phasenverschiebungskorrektur bestimmen und Positionsinformationen auf Basis mindestens der Phasenverschiebungskorrektur und eines mit dem Mehrfach-Windungs-Sensor assoziierten Signals generieren.

Description

GEBIET DER OFFENBARUNG
Die offenbarte Technologie betrifft das Messen einer Position unter Verwendung von Magnetsensoren.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Magnetsensoren können zum Erfassen einer Winkelposition einer mechanischen Dreheinrichtung wie etwa eines Zahnrads oder einer sich drehenden Scheibe verwendet werden. Beispielsweise können Magnetsensoren zum Erfassen der Drehposition eines beliebigen geeigneten Objekts verwendet werden, das ein magnetisches Target enthält oder daran gekoppelt ist. Magnetsensoren können unter anderen Anwendungen in Kraftfahrzeuganwendungen verwendet werden. Beispielsweise können magnetische Winkelsensoren beim Detektieren eines Lenkradwinkels in einem Fahrzeug verwendet werden.
Ein Magnetowiderstand kann in Dünnfilmstrukturen auftreten, wenn zwei ferromagnetische Schichten durch einen relativ dünnen unmagnetischen Film getrennt sind. Wenn zwei magnetische Schichten parallel verlaufen, kann der Widerstand auf einen kleinsten Wert abfallen. Wenn die magnetischen Schichten gedreht werden, so dass sie sich nicht länger in einer parallelen Ausrichtung befinden, kann der elektrische Widerstand ansteigen. Zu Magnetsensoren können GMR(Giant Magnetoresistance - Riesenmagnetowiderstand)-Widerstände zählen, die mit abwechselnden ferromagnetischen Legierungsschichten und unmagnetischen Schichten hergestellt sind. Der Widerstand des GMR-Widerstands kann gegenüber Änderungen in einem angelegten Magnetfeld empfindlich sein und variiert damit. Wheatstone-Brücken, die GMR-Widerstände verwenden, können auf einem Halbleiterchip strukturiert werden, um die Winkel- und Linearbewegung eines Magneten zu detektieren.
Wenn GMR-Magnetsensoren zum Messen einer Position verwendet werden, können Fehlerquellen in die Positionsmessung eingeführt werden. Es kann den Sensor betreffende Fehler und/oder die Magnetfeldeingabe betreffende Fehler geben. Die den Sensor betreffenden Fehler können intrinsische Nichtlinearitäten in dem GMR-Widerstand und/oder der Hysterese beinhalten. Die Magnetfeldeingabe betreffende Fehler können zu der Feldstärke und/oder dem Feldwinkel in Beziehung stehen.
KURZE DARSTELLUNG DER OFFENBARUNG
Zu Zwecken des Zusammenfassens der Offenbarung sind hierin bestimmte Aspekte, Vorteile und neuartige Merkmale der Erfindungen beschrieben worden. Es versteht sich, dass nicht notwendigerweise alle derartigen Vorteile gemäß einer beliebigen bestimmten Ausführungsform der Erfindung erzielt werden können. Somit können die Erfindungen auf eine Weise verkörpert oder ausgeführt werden, die einen Vorteil oder eine Gruppe von Vorteilen, die hierin gelehrt werden, erzielt oder optimiert, ohne dass notwendigerweise andere Vorteile, die möglicherweise hierin gelehrt oder vorgeschlagen werden, erzielt werden.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Magnetsensorsystem, umfassend einen Mehrfach-Windung-Sensor, einen Winkelsensor und eine Verarbeitungsschaltung. Der Mehrfach-Windung-Sensor enthält magnetoresistive Erfassungselemente. Die Verarbeitungsschaltung steht in Kommunikation mit dem Mehrfach-Windung-Sensor und dem Winkelsensor. Zusätzlich ist die Verarbeitungsschaltung konfiguriert zum Bestimmen einer Phasenverschiebungskorrektur auf Basis einer Ausgabe des Mehrfach-Windungs-Sensors und einer Ausgabe des Winkelsensors. Die Verarbeitungsschaltung ist konfiguriert zum Generieren von Positionsinformationen auf Basis der Phasenverschiebungskorrektur und der Ausgabe des Mehrfach-Windungs-Sensors.
Das Magnetsensorsystem kann weiterhin einen Halb-Windung-Decodierer umfassen. Der Halb-Windung-Decodierer kann konfiguriert sein zum Ausgeben eines Halb-Windungs-Zählwerts auf Basis der Ausgabe des Mehrfach-Windungs-Sensors. Der Prozessor kann konfiguriert sein zum Bestimmen der Phasenverschiebungskorrektur auf Basis des Halb-Windungs-Zählwerts und der Ausgabe des Winkelsensors.
Die Phasenverschiebungskorrektur kann dem Addieren von 360
entsprechen, wenn der Halb-Windung-Zählwert eine spezifische Parität ist und die Ausgabe des Winkelsensors einem Winkel von unter 90 entspricht. Die spezifische Parität kann ungerade sein.
Die Phasenverschiebungskorrektur kann auch dem Subtrahieren von 360° entsprechen, wenn der Halb-Windung-Zählwert ein Gegenteil der spezifischen Parität ist und die Ausgabe des Winkelsensors dem entspricht, dass der Winkel über 270° beträgt.
Die Verarbeitungsschaltung kann konfiguriert sein zum Generieren der Positionsinformationen auf Basis der Phasenverschiebungskorrektur, der Ausgabe des Mehrfach-Windungs-Sensors und der Ausgabe des Winkelsensors. Der Mehrfach-Windung-Sensor kann ein Riesenmagnetowiderstands-Sensor sein, und der Winkelsensor kann einen anisotropen magnetoresistiven Sensor umfassen.
Die Verarbeitungsschaltung kann konfiguriert sein zum Berechnen der Positionsinformationen ohne die Phasenverschiebungskorrektur als Reaktion auf das Bestimmen, dass die Ausgabe des Mehrfach-Windungs-Sensors und die Ausgabe des Winkelsensors ausreichend in Phase sind.
Die Phasenverschiebungskorrektur kann einer Verstellung von 360 in den Positionsinformationen entsprechen. Die Positionsinformationen können ein mit einem Magnetfeld assoziierter Drehwinkel sein. Die Verarbeitungsschaltung kann konfiguriert sein zum Ausgeben von kontinuierlichen Positionsinformationen.
Ein weiterer Aspekt dieser Offenbarung ist ein Verfahren zum Bestimmen von mit einem Magnetfeld assoziierten Positionsinformationen umfasst das Bestimmen einer Phasenverschiebungskorrektur auf Basis eines ersten Signals und eines zweiten Signals und Generieren von Positionsinformationen. Das erste Signal ist mit einem magnetoresistive Erfassungselemente umfassenden Mehrfach-Windung-Sensor assoziiert, und das zweite Signal ist mit einem Winkelsensor assoziiert. Die Positionsinformationen sind mit dem Magnetfeld auf Basis der Phasenverschiebungskorrektur und des ersten Signals assoziiert.
Das Verfahren kann weiterhin das Decodieren eines Halb-Windungs-Zählwerts von dem ersten Signal umfassen, wobei das Bestimmen auf dem Halb-Windung-Zählwert basiert. Das erste Signal kann einen Halb-Windung-Zählwert darstellen. Die Phasenverschiebungskorrektur kann dem Addieren einer vollen Windung entsprechen, wenn der Halb-Windung-Zählwert eine spezifische Parität ist und das zweite Signal einem Winkel von unter einer Viertelwindung entspricht. Die Phasenverschiebungskorrektur kann dem Subtrahieren einer vollen Windung entsprechen, wenn der Halb-Windung-Zählwert ein Gegenteil einer spezifischen Parität ist und das zweite Signal einem Winkel von über drei Vierteln einer Windung entspricht. Die spezifische Parität kann ungerade sein, und dann ist das Gegenteil der spezifischen Parität gerade. Der Mehrfach-Windung-Sensor kann einen Riesenmagnetowiderstands-Sensor umfassen.
Ein weiterer Aspekt dieser Offenbarung ist eine Verarbeitungsschaltung zum Bestimmen einer mit einem Magnetfeld assoziierten Position. Die Verarbeitungsschaltung umfasst einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang und eine Elektronikschaltungsanordnung. Der erste Eingang ist konfiguriert zum Empfangen eines mit einem Mehrfach-Windungs-Sensor assoziierten ersten Signals. Der zweite Eingang ist konfiguriert zum Empfangen eines mit einem Winkelsensor assoziierten zweiten Signals. Die Elektronikschaltungsanordnung ist konfiguriert zum Bestimmen einer Phasenverschiebungskorrektur auf Basis des ersten Signals und des zweiten Signals, um mit dem Magnetfeld assoziierte Positionsinformationen auf Basis der Phasenverschiebungskorrektur und des ersten Signals zu generieren und die Positionsinformationen auszugeben.
Die Elektronikschaltungsanordnung kann konfiguriert sein zum Berechnen eines Halb-Windungs-Zählwerts auf Basis des ersten Signals und zum Bestimmen der Phasenverschiebungskorrektur auf Basis des Halb-Windungs-Zählwerts. Das erste Signal kann einen Halb-Windung-Zählwert darstellen und die Elektronikschaltungsanordnung kann konfiguriert sein zum Bestimmen der Phasenverschiebungskorrektur auf Basis des Halb-Windungs-Zählwerts. Die Phasenverschiebungskorrektur kann dem Addieren einer vollen Windung entsprechen, wenn der Halb-Windung-Zählwert eine spezifische Parität ist und das zweite Signal weniger als einer Viertelwindung entspricht. Die spezifische Parität kann ungerade sein. Die Phasenverschiebungskorrektur kann dem Subtrahieren einer vollen Windung entsprechen, wenn der Halb-Windung-Zählwert ein Gegenteil der spezifischen Parität ist und das zweite Signal mehr als einer Dreiviertelumdrehung entspricht.
Die Elektronikschaltungsanordnung kann konfiguriert sein zum Berechnen der Positionsinformationen ohne die Phasenverschiebungskorrektur als Reaktion auf das Bestimmen, dass die Ausgabe des Mehrfach-Windungs-Sensors und die Ausgabe des Winkelsensors ausreichend in Phase sind.
Figurenliste
Diese Zeichnungen und die assoziierte Beschreibung hierin werden vorgelegt, um spezifische Ausführungsformen zu veranschaulichen, und sollen nicht beschränkend sein.

1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Magnetsensorsystems, das einen Mehrfach-Windungs-Sensor und einen Winkelsensor gemäß einer Ausführungsform enthält.
2A zeigt eine beispielhafte Magnetstreifenlayoutdarstellung eines Mehrfach-Windungs-Sensors mit einer entsprechenden Schaltungsschemadarstellung gemäß einer Ausführungsform.
2B ist ein Schemadiagramm, das ein Beispiel eines Magnetwinkelsensors mit einer Schnittstellenschaltung gemäß einer Ausführungsform zeigt.
3 zeigt simulierte Kurven von Winkelpositionsinformationen ohne Phasenverschiebung.
4 zeigt simulierte Kurven von Winkelpositionsinformationen mit positiver Phasenverschiebung.
5 zeigt simulierte Kurven von Winkelpositionsinformationen mit einer Korrektur für eine positive Phasenverschiebung gemäß einer Ausführungsform.
6 zeigt simulierte Kurven von Winkelpositionsinformationen mit positiver Phasenverschiebung, bei denen sich die Winkelposition relativ zu den simulierten Kurven von 4 in einer entgegengesetzten Richtung ändert.
7 zeigt simulierte Kurven von Winkelpositionsinformationen mit einer Korrektur für eine positive Phasenverschiebung gemäß einer Ausführungsform.
8 zeigt simulierte Kurven von Winkelpositionsinformationen mit negativer Phasenverschiebung.
9 zeigt simulierte Kurven von Winkelpositionsinformationen mit einer Korrektur für eine negative Phasenverschiebung gemäß der Ausführungsform.
10 zeigt simulierte Kurven von Winkelpositionsinformationen mit negativer Phasenverschiebung, bei denen sich die Winkelposition relativ zu den simulierten Kurven von 8 in einer entgegengesetzten Richtung ändert.
11 zeigt simulierte Kurven von Winkelpositionsinformationen mit einer Korrektur für eine negative Phasenverschiebung gemäß einer Ausführungsform.
12A zeigt mit einem Halb-Windung-Decodierer assoziierte simulierte Sensorausgabekurven.
12B ist ein Flussdiagramm eines Prozesses des Decodierens von Halb-Windungen von einer Ausgabe eines Mehrfach-Windungs-Sensors gemäß einer Ausführungsform.
13A zeigt mit einem Halb-Windung-Decodierer assoziierte simulierte Sensorausgabekurven.
13B ist ein Flussdiagramm eines Prozesses des Decodierens von Halb-Windungen von einer Ausgabe eines Mehrfach-Windungs-Sensors gemäß einer Ausführungsform.
14 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses zum Berechnen einer Position mit Phasenverschiebungskompensation gemäß einer Ausführungsform.
15A ist ein schematisches Blockdiagramm eines Magnetwinkelsensorsystems, das einen Mehrfach-Windungs-Sensor, einen Winkelsensor und einen Prozessor gemäß einer Ausführungsform enthält.
15B ist ein schematisches Blockdiagramm eines Magnetwinkelsensorsystems, das einen Mehrfach-Windungs-Sensor, einen Winkelsensor und einen Prozessor gemäß einer anderen Ausführungsform enthält.
15C ist ein schematisches Blockdiagramm eines Magnetwinkelsensorsystems, das einen Mehrfach-Windungs-Sensor, einen Winkelsensor und einen Prozessor gemäß einer anderen Ausführungsform enthält.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende ausführliche Beschreibung von gewissen Ausführungsformen legt verschiedene Beschreibungen von spezifischen Ausführungsformen vor. Die hierin beschriebenen Innovationen können jedoch auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Wegen verkörpert werden, beispielsweise wie durch die Ansprüche definiert und abgedeckt. In dieser Beschreibung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, wo gleiche Bezugszahlen identische oder funktional ähnliche Elemente angeben können. Es versteht sich, dass in den Figuren dargestellte Elemente nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind. Zudem versteht sich, dass gewisse Ausführungsformen mehr Elemente enthalten können als in einer Zeichnung dargestellt, und/oder eine Teilmenge der in einer Zeichnung dargestellten Elemente. Weiterhin können einige Ausführungsformen beliebige geeignete Kombination von Merkmalen aus zwei oder mehr Zeichnungen enthalten.
Magnetsensoren können zum Überwachen der Winkelposition und Drehgeschwindigkeit einer sich bewegenden Welle verwendet werden. Eine derartige magnetische Erfassung kann auf eine Vielzahl von verschiedenen Anwendungen angewendet werden, wie etwa Kraftfahrzeuganwendungen, medizinische Anwendungen und industrielle Steueranwendungen, unter anderen. Es existieren verschiedene Technologien zum Herstellen von Magnetsensoren. Beispielsweise gibt es Hall-Effekt-Sensoren. Hall-Effekt-Sensoren können Gleichstrom(DC)-Ausgangsspannungen auf Basis der Stärke eines angelegten Magnetfelds generieren. Ein sich drehendes Magnetfeld erzeugt sinusförmige Wellenformen in Hall-Effekt-Sensoren, die dann durch einen Computer verarbeitet werden können, um einen Winkel zu berechnen. Es gibt auch Riesenmagnetowiderstands(GMR)-Sensoren. In einem GMR-Sensor werden GMR-Widerstände unter Verwendung von Schichten aus ferromagnetischen und nicht ferromagnetischen Materialien ausgebildet. Die GMR-Widerstände können in Wheatstone-Brücken verwendet werden, um Variationen bei sich drehenden Magnetfeldern zu erfassen.
Magnetsensoren können auf einem Chip zum Erfassen und Aufzeichnen der Anzahl von Windungen in Halb-Windung-Inkrementen integriert werden, in denen sich Zustände bei jeder Viertelwindung ändern können, oder zum Erfassen des Winkels eines sich drehenden Magnetfelds. Ein Magnetsensor zum Erfassen und Aufzeichnen der Anzahl von Windungen in Viertelwindungs-Inkrementen kann als ein Mehrfach-Windungs(MT)-Sensor bezeichnet werden. Ein Magnetsensor zum Erfassen des Drehwinkels über einen Bereich von 360 Grad kann als ein Winkelsensor oder als ein Singleturn(360 Grad)-Winkelsensor bezeichnet werden. Sowohl ein Mehrfach-Windungs-Sensor als auch ein Winkelsensor können zusammen zum Bestimmen der Drehwinkelposition, die 360 Grad übersteigt, verwendet werden. Diese Kombination aus einem Mehrfach-Windungs-Sensor mit einem Winkelsensor kann auch als ein Mehrfach-Windungs-Winkelsensor bezeichnet werden.
Eine zusätzliche Schaltungsanordnung kann zum Verarbeiten und/oder Umwandeln von Signalen von dem Mehrfach-Windungs-Sensor und dem Winkelsensor in Nutzinformationen verwendet werden. Beispielsweise kann ein Analog-Digital-Wandler (ADW) zum Umwandeln von Spannungen von den Sensoren in digitale Daten verwendet werden, die zu der Gesamtdrehwinkelposition und/oder Winkelgeschwindigkeit verarbeitet werden können. Die Genauigkeit dieser Umwandlungen kann von vielen Faktoren einschließlich Sensorplatzierung, Umweltfaktoren wie etwa Temperatur und Magnetfeldstärke, um nur einige wenige zu nennen, abhängen. In einem Mehrfach-Windungs-Winkelsensor kann es auch einen Relativfehler zwischen Informationen von seinem Winkelsensor und Informationen von seinem Mehrfach-Windungs-Sensor geben. Insbesondere kann es einen Phasenverschiebungsfehler aufgrund von Differenzen dahingehend geben, wie der Mehrfach-Windungs-Sensor und der Winkelsensor eine Windung des Magnetfelds erfassen. Ohne Kompensation kann dieser Phasenverschiebungsfehler zu Diskontinuitäten in den Gesamtdrehwinkelpositionsdaten führen. Dementsprechend besteht eine Notwendigkeit für einen Weg zum Kompensieren der Phasenverschiebungsfehler in dem Mehrfach-Windungs-Winkelsensor.
Verfahren und Schaltungen zum Kombinieren eines Mehrfach-Windungs-Sensors und von 360-Grad-Positionssensorausgaben und Kompensieren von Phasenverschiebungen werden hier offenbart. Das Verfahren der Kompensation kann innerhalb einer beliebigen geeigneten Verarbeitungsschaltung wie etwa einem Prozessor oder einem Mikroprozessor (MPU) implementiert werden, und die Gesamtdrehwinkelpositionsdaten einer sich drehenden Welle können berechnet werden, um Diskontinuitäten aufgrund von Phasenverschiebungsfehlern zu korrigieren.
Gewisse Mehrfach-Windungs-Sensoren wie etwa GMR-Sensoren können eine Hysterese erfahren. Mit einer Hysterese kann eine Ausgabe eines Mehrfach-Windungs-Magnetsensors mit einer Ausgabe eines dem gleichen Magnetfeld ausgesetzten Magnetwinkelsensors außer Phase kippen. Dies kann eine relative Phasenverschiebung bei mit dem Mehrfach-Windungs-Magnetsensor und dem Magnetwinkelsensor assoziierten Signalen verursachen. In einigen Fällen können magnetoresistive Elemente in einem GMR-Sensor den Zustand zu verschiedenen Zeiten ändern und/oder Sensorzustandsübergänge können bei verschiedenen Winkeln auftreten, je nach einer Drehrichtung eines Magnetfelds (z. B. im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn). Solche Effekte können Fehler beim Bestimmen von Positionsinformationen aus Mehrfach-Windungs-Sensor-Informationen verursachen. Alternativ oder zusätzlich können die physischen Positionen des Mehrfach-Windungs-Magnetsensors und des Magnetwinkelsensors eine relative Phasenverschiebung bei mit diesen Sensoren assoziierten Signalen verursachen. Es kann mit der Signalausbreitung assoziierte ungleiche Verzögerungen und/oder eine mit dem Mehrfach-Windungs-Magnetsensor und dem Magnetwinkelsensor assoziierte Verarbeitung geben, die zu einer relativen Phasenverschiebung bei mit diesen Sensoren assoziierten Signalen beitragen können.
Ohne Kompensation kann die relative Phasenverschiebung zwischen einem mit einem Mehrfach-Windungs-Sensor assoziierten ersten Signal und einem mit einem Winkelsensor assoziierten zweiten Signal einen Fehler bei aus dem ersten Signal und dem zweiten Signal berechneten Positionsinformationen verursachen. Aspekte dieser Offenbarung betreffen das Bestimmen einer Phasenverschiebungskorrektur auf Basis des ersten Signals und des zweiten Signals und das Generieren von Positionsinformationen auf Basis der Phasenverschiebungskorrektur. Dies kann bei Gegenwart von Hysterese des Mehrfach-Windungs-Sensors und/oder anderen Ursachen einer relativen Phasendifferenz zwischen einem mit einem Mehrfach-Windungs-Sensor assoziierten ersten Signal und einem mit einem Winkelsensor assoziierten zweiten Signal präzise Positionsinformationen bereitstellen.
Die Phasenverschiebungskorrektur kann auf das Generieren von Positionsinformationen aus einer Ausgabe eines beliebigen geeigneten Mehrfach-Windungs-Sensors und eines beliebigen geeigneten Winkelsensors angewendet werden. Der Mehrfach-Windung-Sensor kann magnetoresistive Erfassungselemente enthalten. Beispielsweise kann der Mehrfach-Windungs-Sensor ein GMR-Sensor sein. Der Winkelsensor kann einen beliebigen geeigneten Winkelsensor beinhalten, wie etwa einen Hall-Effekt-Sensor, einen AMR(Anisotropic Magnetoresistive)-Sensor, andere magnetoresistive Erfassungselemente oder dergleichen. Der Winkelsensor kann eine Ausgabe liefern, die einen Winkel in einem Bereich von 0 Grad bis 360 Grad anzeigt.
Die Positionsinformationen können einen mit einem Magnetfeld assoziierten Winkel darstellen. Beispielsweise können die Positionsinformationen Windungen eines Magnetfelds darstellen. Das Magnetfeld kann durch ein magnetisches Target generiert werden, das einen oder mehrere Magnete enthalten kann. Ein derartiges magnetisches Target kann Teil eines beliebigen geeigneten Objekts sein oder daran angebracht sein, wie etwa eine Welle, ein Zahnrad, ein Linear- oder Drehaktuator, ein modularer Kupplungsaktuator (MCA - Modular Clutch Actuator), ein Lenkrad usw. Die Positionsinformationen können einen Winkel oder eine Windung darstellen, die einer Windung von mehr als 360 Grad entsprechen können. Dementsprechend können die Positionsinformationen einen Gesamtdrehwinkel eines Objekts darstellen, das das magnetische Target enthält oder daran angebracht ist.
In einigen Fällen können die Positionsinformationen eine Anzahl von Halb-Windungen oder Ganz-Windungen darstellen. In solchen Fällen kann der Winkelsensor ein Quadrantendetektor wie etwa ein AMR-Quadrantendetektor sein und die Phasenverschiebungskorrektur kann anhand des Quadrantendetektors und eines mit dem Mehrfach-Windungs-Sensor assoziierten Signals gemäß den hierin erörterten Prinzipien und Vorteilen bestimmt werden. Dann können die Positionsinformationen auf Basis einer Ausgabe des Mehrfach-Windungs-Sensors und der Phasenverschiebungskorrektur bestimmt werden.
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines magnetischen Mehrfach-Windungs-Winkelsensorsystems 160, das einen Mehrfach-Windungs(MT)-Sensor 100 und einen Winkelsensor 166 gemäß einer Ausführungsform enthält. Das Mehrfach-Windungs-Winkelsensorsystem 160 kann auch eine Verarbeitungsschaltung 168 und eine Leiterplatte (PCB) 163 enthalten, auf der der MT-Sensor 100, der Winkelsensor 166 und die Verarbeitungsschaltung 168 angeordnet sind. Die Verarbeitungsschaltung 168 kann ein oder mehrere Signale S_M von dem MT-Sensor 100 und ein oder mehrere Signale S_A von dem Winkelsensor 166 empfangen und dann diese empfangenen Signale verarbeiten, um eine Drehwinkelposition Position bereitzustellen. Die Verarbeitungsschaltung 168 kann einen Halb-Windung-Decodierer 169 enthalten. Der Halb-Windung-Decodierer 169 kann ein oder mehrere Signale S_M von dem MT-Sensor 100 empfangen und einen Halb-Windung-Zählwert ausgeben. Der Halb-Windung-Zählwert kann zum Bestimmen einer Phasenverschiebungskorrektur verwendet werden, wie beispielsweise unten ausführlicher erörtert wird. Das oder die Signale S_M von dem MT-Sensor 100 und das oder die Signale S_A von dem Winkelsensor 166 können analoge Signale sein. Beispielsweise können das oder die Signale S_M von dem MT-Sensor 100 von Widerstandsnetzwerken wie etwa GMR-Widerstände enthaltenden Wheatstone-Brücken abgeleitete Spannungssignale sein.
Idealerweise würden das oder die Signale S_M von dem MT-Sensor 100 und das oder die Signale S_A von dem Winkelsensor 166 eine Zeitverzögerung von null besitzen. Umgebungs- und/oder physische Effekte wie etwa Temperatur, Magnetfeldstärke, Sensorplatzierung oder eine beliebige Kombination davon können jedoch zwischen den Signalen S_M und S_A eine Zeitverzögerung ungleich null einführen. Falls beispielsweise der MT-Sensor 100 Informationen bezüglich der Position des sich drehenden magnetischen Targets schneller erfasst und liefert, als der Winkelsensor 166 Informationen erfasst und liefert, dann werden Signale von dem Winkelsensor 166 bezüglich Signalen von dem MT-Sensor verzögert. Diese Verzögerung kann wiederum Phasenverschiebungsfehler hervorrufen.
Die Lehren hierin präsentieren Verfahren und Schaltungen zum Korrigieren eines Phasenverschiebungsfehlers zwischen dem Winkelsensor 166 und dem Mehrfach-Windungs-Sensor 100. Die Verarbeitungsschaltung 168 kann ein Verfahren zum Bestimmen einer Phasenverschiebungskorrektur zum Korrigieren einer relativen Phasenverschiebung zwischen dem oder den Signalen S_M von dem MT-Sensor 100 und dem oder den Signalen S_A von dem Winkelsensor 166 implementieren. Die Verarbeitungsschaltung 168 kann durch eine beliebige geeignete Elektronikschaltungsanordnung implementiert werden, die konfiguriert ist zum Bestimmen einer Phasenverschiebungskorrektur, Bestimmen von Positionsinformationen auf Basis der Phasenverschiebungskorrektur und Ausgeben der Positionsinformationen. Beispiele eines MT-Sensors 100 und eines Winkelsensors 166 sind in den 2A bzw. 2B gezeigt.
2A zeigt eine beispielhafte Magnetstreifenlayoutdarstellung eines Mehrfach-Windungs-Sensors 100 mit einer entsprechenden Schaltungsschemadarstellung 150 gemäß einer Ausführungsform. In der Ausführungsform von 2A ist ein Magnetstreifen 101 auf einem Chip strukturiert. Der Magnetstreifen 101 besitzt Ecken 105 und Segmente 103a bis 103n, die magnetoresistive Elemente R1 bis R14 bilden, die in Reihe zueinander angeordnet sind, und einen Domain Wall Generator 107. Die magnetoresistiven Elemente können als variable Widerstände wirken, die ihre Widerstände als Reaktion auf einen Magnetausrichtungszustand ändern. Die Magnetstreifenstruktur des dargestellten Mehrfach-Windungs-Sensors 100 kann in einem Mehrfach-Windungs-Zähler implementiert werden, der mindestens 3 Windungen zählen kann.
Der Magnetstreifen 101 kann eine Riesenmagnetowiderstands-Bahn sein, die physisch in Form einer Spirale ausgelegt ist. Wie in 2A dargestellt, kann ein derartiger spiralförmiger Magnetstreifen 101 abgerundete Ecken 105 und Segmente 103a bis 103n besitzen. Der Magnetstreifen 101 kann eine magnetische Anisotropie wie etwa eine starke Anisotropie auf Basis der Material- und Querschnittsabmessungen des Magnetstreifens 101 besitzen. Der Magnetstreifen 101 kann magnetische Energie speichern. Ein Domain Wall Generator (DWG) 107 ist an ein Ende des Magnetstreifens 101 gekoppelt. Der DWG 107 kann eine magnetische Anisotropie wie etwa eine niedrige Anisotropie besitzen. Der Domain Wall Generator kann Domänenwände als Reaktion auf Windungen in einem Magnetfeld generieren. Die Domänenwände können in den Magnetstreifen 101 injiziert werden.
Die Segmente 103a bis 103n des Magnetstreifens 101 sind in dem Beispiel von 2A als gerade Seiten des Magnetstreifens 101 gezeigt. Die Segmente 103a bis 103n können auf Basis der magnetischen Domäne des Segments einen variablen Widerstand besitzen. Wenn sich die magnetische Domäne eines Segments ändert, kann sich der Widerstand dieses Segments ändern. Dementsprechend können die Segmente 103a bis 103n als magnetoresistive Elemente arbeiten, hier jeweils auch als variable Widerstände R1 bis R14 bezeichnet. Die magnetoresistiven Elemente R1 bis R14 können auch als ein nichtflüchtiger magnetischer Speicher fungieren, der magnetisch beschrieben und elektrisch ausgelesen werden kann. Die magnetoresistiven Elemente R1 bis R14, wie in dem spiralförmigen Magnetstreifen 101 ausgelegt, sind in Reihe zueinander gekoppelt. Eine entsprechende Schaltungsschemadarstellung 150 zeigt Segmente 103a bis 103n, die jeweils als in Reihe geschaltete entsprechende magnetoresistive Elemente R1 bis R14 dargestellt sind.
2B ist ein Schemadiagramm, das ein Beispiel eines Magnetwinkelsensors 166 mit einer Schnittstellenschaltung 206 gemäß einer Ausführungsform zeigt. Die Schnittstellenschaltung 206 kann Teil der Verarbeitungsschaltung 168 sein. Alternativ kann die Schnittstellenschaltung 206 eine separate Schaltung zwischen der Verarbeitungsschaltung 168 und dem Ausgang des Winkelsensors 166 sein. Wie in 2B gezeigt, enthält der Winkelsensor 166 eine erste Wheatstone-Brücke 202 und eine zweite Wheatstone-Brücke 204. Die erste und zweite Wheatstone-Brücke 202 bzw. 204 können magnetoresistive Elemente wie etwa AMR-Elemente enthalten, um ein sich drehendes Magnetfeld zu erfassen und einen Drehwinkel zwischen 0 und 360 Grad zu liefern, der auch einem Winkel zwischen 0 und 2□ Radiant entspricht. Zusätzlich kann jedes AMR-Element unter Verwendung eines AMR-Prozesses auf eine integrierte Schaltung strukturiert werden, so dass die erste Wheatstone-Brücke 202 bezüglich der zweiten Wheatstone-Brücke 204 gedreht wird. Indem die erste und zweite Wheatstone-Brücke 202 und 204 zueinander gedreht werden, können der trigonometrische Sinus und Kosinus eines Drehmagnetfelds über einen Bereich von 0 bis 360 Grad bestimmt werden.
Wie in 2B gezeigt, sind sowohl die erste als auch die zweite Wheatstone-Brücke 202 bzw. 204 elektrisch an eine Versorgungsspannung VDD und an Masse GND angeschlossen. Wie dargestellt empfängt die Schnittstellenschaltung 206 die Spannungen VSIN1 und VSIN2 von den Erfassungsknoten der ersten Wheatstone-Brücke 202 und empfängt Spannungen VCOS1 und VCOS2 von den Erfassungsknoten der zweiten Wheatstone-Brücke 204. Die Spannungen VSIN1, VSIN2, VCOS1 und VCOS2 von Figur 2B können Komponenten der Signale S_A von 1 darstellen. Die Schnittstellenschaltung 206 kann die Spannungen VSIN1 und VSIN2 und die Spannungen VCOS1 und VCOS2 verarbeiten, um mit einem Magnetfeld assoziierte Sinus- bzw. Kosinussignale zu bestimmen. Aus den Sinus- und Kosinussignalen kann die Schnittstellenschaltung 206 den Winkel des Magnetfelds zwischen 0 und 360 Grad bestimmen. In der Ausführungsform von 2B liefert die Schnittstellenschaltung 206 Singleturn-Winkelausgabedaten ST_Output.
3 zeigt simulierte Kurven 302, 304, 306, 308 und 310 von Winkelpositionsinformationen ohne Phasenverschiebung. Die Kurve 302 ist eine Kurve der Singleturn(ST)-Winkelausgabedaten ST_Output, wie anhand eines Winkelsensors 166 bestimmt, in Grad über der Zeit in Millisekunden (ms). Wie in 3 gezeigt veranschaulichen die ST-Winkelausgabedaten ST Output, dass Windungen ab einem Winkel von 0 Grad zu einer Zeit von etwa 1,75 ms beginnen. Außerdem können, wie in 3 gezeigt, die ST-Winkelausgabedaten ST_Output linear mit der Zeit als eine periodische Dreieckswellenform mit von 0 auf 360 Grad ansteigenden Winkeln zunehmen. Diese Wellenform kann einem sich mit einer im Wesentlichen konstanten Rate drehenden Magnetfeld entsprechen. Die Kurve 304 ist eine Kurve der simulierten Anzahl von Halb-Windung-Windungen, auch als Halb-Windung-Zählwert Half-turn bezeichnet, eines magnetischen Targets. Der Halb-Windung-Zählwert Half-turn ist eine Zahl, die durch einen Prozessor wie etwa die Verarbeitungsschaltung 168 auf Basis des oder der Signale S_M von dem MT-Sensor 100 berechnet werden kann. Wie in 3 gezeigt sollten Halb-Windungen immer dann, wenn das Magnetfeld eine Windung von 180 Grad erfährt, um eins inkrementieren. Beispielsweise beträgt zwischen den Zeitpunkten von etwa 1,75 ms und 6,5 ms der Halb-Windung-Zählwert Half-turn 0, weil der Gesamtdrehwinkel kleiner als 180 Grad ist. Die Kurve 306 ist eine Kurve der Ganz-Windung-Windung, auch als der Ganz-Windung-Zählwert Full-turn bezeichnet, des magnetischen Targets. Der Ganz-Windung-Zählwert Full-turn ist ebenfalls eine Zahl, die durch einen Prozessor wie etwa die Verarbeitungsschaltung 168 berechnet werden kann. Wie in 3 gezeigt inkrementiert der Ganz-Windung-Zählwert immer dann um eins, wenn das Magnetfeld eine Windung von 360 Grad erfährt. Beispielsweise beträgt für Zeitpunkte zwischen etwa 1,75 ms und 11,5 ms der Ganz-Windung-Zählwert Full-turn 0, weil der Gesamtdrehwinkel weniger als 360 Grad beträgt.
Die Phasenverschiebung kann durch Beobachten der Zeitverzögerung zwischen Punkten auf den Kurven 302 und 304 gemessen werden. Beispielsweise kann die Zeitverzögerung die Differenz zwischen den ST-Winkelausgabedaten ST_Output beim Übergang von 360 Grad auf 0 Grad und dem Halb-Windung-Zählwert Half-turn beim Übergang zu einem neuen Halb-Windung-Zählwert sein. Diese Zeitverzögerung kann eine Phasenverschiebung zwischen Informationen von dem Winkelsensor 166 und dem MT-Sensor 100 darstellen. Die Kurven 302 und 304 stellen einen simulierten Idealfall dar, wo eine Stufe in den ST-Winkelausgabedaten ST_Output mit einer Stufe in dem Halb-Windung-Zählwert Half-turn in Phase und darauf ausgerichtet ist. Beispielsweise gibt, wie bei einer Zeit etwa gleich 11,6 ms gezeigt, die Kurve 302 einen Vollwinkel von 360 Grad an und die Kurve 304 gibt gleichzeitig einen Übergang von einer Halb-Windung zu zwei Halb-Windungen an. Somit sind die Simulationen in 3 dadurch ideal, dass keine Zeitverzögerung zwischen mit dem Winkelsensor 166 und dem MT-Sensor 100 assoziierten Daten vorliegt.
Anhand von Informationen sowohl von dem Winkelsensor als auch Halfturndaten kann die Verarbeitungsschaltung 168 die Drehwinkelpositionsdaten Position als eine Funktion des Halb-Windungs-Zählwerts Half-turn und der ST-Winkelausgabedaten ST_Output bestimmen. Die Kurve 308 zeigt die Gesamtdrehwinkelpositionsdaten Position(rad), ausgedrückt in Einheiten von Radiant, und die Kurve 310 zeigt die Gesamtdrehwinkelpositionsdaten Position(deg), ausgedrückt in Einheiten von Graden. Mathematische Gleichungen, mit denen die Gesamtdrehwinkelposition Position berechnet werden kann, sind unten vorgesehen.
Die ST-Winkelausgabedaten ST Output können in Radiant oder Grad ausgedrückt werden. Unter Bezugnahme auf 3 zeigt die Kurve 302 die in Grad ausgedrückten ST-Winkelausgabedaten ST_Output. Eine einzelne Ganz-Windung deckt einen Bereich von Winkeln von 0 bis 2π Radiant oder 0 bis 360 Grad ab. Der Halb-Windung-Zählwert Half-turn, der aus dem oder den Signalen S_M eines Mehrfach-Windungs-Sensors bestimmt wird, besitzt eine Halb-Windung-Auflösung. Ein Ganz-Windung-Zählwert Full-turn kann anhand von Gleichung 1 bezüglich des Halb-Windungs-Zählwerts Half-turn abgeleitet werden. $F u l l - t u r n = F l o o r (H a l f - t u r n \times 0,5)$
Gleichung 2 kann die Gesamtwinkelpositionsdaten Position in Radiant darstellen und kann durch Umwandeln des Ganz-Windungs-Zählwerts Full-turn in Radiant und Addieren des Ergebnisses zu den ST-Winkelsensorausgabedaten ST Output in Radiant berechnet werden. $P o s i t i o n (rad) = (F u l l - t u r n \times 2 π) + S T_O u t p u t$
Alternativ liefert Gleichung 3 die Gesamtpositionsinformationen in Grad (°) und kann durch Umwandeln sowohl des Ganz-Windungs-Zählwerts Full-turn in Grad als auch der ST-Winkelsensorausgabedaten ST_Output in Grad und dann Addieren dieser Werte berechnet werden. $P o s i t i o n (deg) = (F u l l - t u r n \times 360 °) + (S T_O u t p u t \times 57,3)$
4 zeigt simulierte Kurven 402, 404, 406, 408 und 410 von Winkelpositionsinformationen mit positiver Phasenverschiebung. Die Kurve 402 zeigt die ST-Winkelausgabedaten ST Output, wenn sich das Magnetfeld mit von 0 bis 360 Grad zunehmenden Winkeln dreht. Die Kurve 404 ist der Halb-Windung-Zählwert Half-turn, wie durch Berechnungen und Verarbeitung von von dem MT-Sensor kommenden Signalen bestimmt. Die Kurve 406 ist eine Kurve des Ganz-Windungs-Zählwerts Full-turn, beispielsweise wie durch Gleichung 1 bestimmt. Der Ganz-Windung-Zählwert Full-turn und der Halb-Windung-Zählwert Half-turn können durch einen Prozessor wie etwa die Verarbeitungsschaltung 168 von 1 berechnet werden.
Wie in 4 gezeigt ist der Halb-Windung-Zählwert Half-turn der Kurve 402 relativ zu den Singleturn-Winkelausgabedaten ST Output der Kurve 404 um etwa 1,5 ms verzögert. Diese Zeitverzögerung entspricht einer positiven Phasenverschiebung. Wie in 4 gezeigt gehen die ST-Winkelausgabedaten ST_Output von 360 Grad auf 0 Grad über und steigen dann zu einem Winkel größer als null, bevor der Halb-Windung-Zählwert Half-turn inkrementiert. Wie oben beschrieben können einige der Gründe für eine Verzögerung (entweder positiv oder negativ) zwischen der Ausgabe des MT-Sensors und des Winkelsensors von Umgebung, Signalbedingungen, Design, Hysterese des MT-Sensors, dergleichen oder einer beliebigen Kombination davon abhängen. Die Phasenverschiebung führt einen Fehler in der Form einer Diskontinuität in den Gesamtdrehwinkelpositionsdaten Position ein. Beispielsweise gibt es aufgrund der positiven Phasenverschiebung Diskontinuitäten in den Kurven 408 und 410 der Gesamtdrehwinkelpositionsdaten Position(rad) bzw. Position(deg). Wie in 4 gezeigt liegt ein Fehler vor, wenn sich die Ausgabe des Winkelsensors zu der zweiten Windung in der Sequenz (bei etwa 10 ms) bewegt und der Halb-Windung-Zählwert Half-turn noch nicht entsprechend inkrementiert worden ist.
Fehler in der Gesamtdrehwinkelposition Position und treten, wie in 4 gezeigt, zu Zeiten von etwa 10 ms bis 11,6 ms und 20 ms bis 21,6 ms auf. Um den Fehler zu beseitigen, kann ein Verfahren zum Kompensieren der Phasenverschiebung durch eine Verarbeitungsschaltung wie etwa die Verarbeitungsschaltung 168 von 1 implementiert werden. Die Verarbeitungsschaltung 168 kann auch Positionsinformationen ohne die Phasenverschiebungskorrektur als Reaktion auf das Bestimmen berechnen, dass die Ausgabe des Mehrfach-Windungs-Sensors und die Ausgabe des Winkelsensors ausreichend in Phase sind. Beispielsweise kann in dem mit den Kurven von 3 assoziierten Fall die Verarbeitungsschaltung auf Basis der ST-Winkelausgabedaten und des Halb-Windungs-Zählwerts bestimmen, dass eine Phasenverschiebungskorrektur nicht benötigt wird.
5 zeigt simulierte Kurven 402, 404, 406, 508 und 510 von Winkelpositionsinformationen mit einer Korrektur für positive Phasenverschiebung gemäß einer Ausführungsform. Eine Phasenverschiebungskorrektur kann durch die Verarbeitungsschaltung 168 bestimmt und angewendet werden, um die relative Phasenverschiebung zwischen den ST-Winkelausgabedaten ST Output und dem Halb-Windung-Zählwert Half turn zu korrigieren. Die Phasenverschiebungskorrektur kann die Fehler in der in den Kurven 408 und 410 von 4 gezeigten berechneten Position verhindern. Die Phasenverschiebungskorrektur kann zu den ST-Winkelausgabedaten ST_Output und dem Halb-Windung-Zählwert Half turn zu gewissen Zeiten addiert werden, um die Winkelpositionsdaten Position auf eine Weise zu berechnen, die die relative Phasenverschiebung zwischen diesen Signalen kompensiert. In 4 gibt es Fehler in den Winkelpositionsdaten Position, wenn sich die Ausgabe des Winkelsensors zu der zweiten Windung in der Sequenz (bei etwa 10 ms) weiter bewegt und der Mehrfach-Windungs-Sensor immer noch einen Wert angibt, der der ersten Windung in der Sequenz entspricht, wie aus dem ungeraden Wert des Halb-Windungs-Zählwerts hervorgeht. Deshalb kann eine Korrektur von einer vollen Windung (Addieren von 360 Grad) angewendet werden, wenn der von dem MT-Sensor ausgegebene Halb-Windung-Zählwert Half turn ungerade ist und die ST-Winkelausgabedaten ST Output sich in dem ersten Quadranten der nächsten Windung in der Sequenz (weniger als 90 Grad) befinden. Indem unter diesen Bedingungen 360 Grad addiert werden, kann die Verarbeitungsschaltung 168 die mit der Phasenverschiebung zwischen den ST-Winkelausgabedaten ST_Output und dem Halb-Windung-Zählwert Half turn assoziierten Fehler korrigieren. Dies kann die Diskontinuitäten beseitigen, um kontinuierliche Kurven 508 und 510 der Gesamtdrehwinkelpositionsdaten Position zu erzielen.
6 zeigt simulierte Kurven 602, 604, 606, 608 und 610 von Winkelpositionsinformationen mit positiver Phasenverschiebung, bei denen sich die Winkelposition eines Magnetfelds relativ zu den simulierten Kurven von 4 in einer entgegengesetzten Richtung ändert. Die Kurve 602 zeigt die ST-Winkelausgabedaten ST_Output, wenn sich das Magnetfeld mit von 360 zu 0 Grad abnehmenden Winkeln dreht. Somit sind die Kurven von 6 ähnlich den Figuren von 4, außer dass sich das Magnetfeld in der entgegengesetzten Richtung dreht. Die Kurve 604 ist der Halb-Windung-Zählwert Half-turn, der durch die von einem MT-Sensor kommenden Signale bestimmt wird. Die Kurve 606 ist eine Kurve des Ganz-Windungs-Zählwerts Full-turn, beispielsweise wie durch Gleichung 1 bestimmt. Analog wie bei 4 gibt es eine Zeitverzögerung von etwa 1,5 ms zwischen gewissen Übergängen in der Kurve 604 des Halb-Windungs-Zählwerts Half-turn und entsprechenden Übergängen in der Kurve 602 der ST-Winkelausgabedaten ST Output. Die Zeitverzögerung entspricht einer positiven Phasenverschiebung, die wiederum einen Fehler in die Gesamtdrehwinkelpositionsdaten Position einführen kann. Beispielsweise gibt es aufgrund der positiven Phasenverschiebung und der Abwesenheit einer Kompensation Diskontinuitäten in den Kurven 608 und 610 der Gesamtdrehwinkelpositionsdaten Position(rad) bzw. Position(deg). Beispielsweise liegt ein Fehler vor, wenn sich die Winkelsensorausgabe zu der letzten Ganz-Windung in der Sequenz (bei 792,5 ms) weiter bewegt, während der Mehrfach-Windungs-Sensor immer noch einen Wert anzeigt, der der vorletzten Windung in der Sequenz entspricht, wie aus dem geraden Wert des Halb-Windungs-Zählwerts hervorgeht.
Die Fehler in den Gesamtdrehwinkelpositionsdaten Position und treten, wie gezeigt, in den Kurven 608 und 610 zu Zeiten von etwa 782,5 ms bis 784 ms und 792,5 ms bis 794 ms auf. Um den Fehler zu beseitigen, kann ein Verfahren zum Kompensieren der Phasenverschiebung durch eine Verarbeitungsschaltung wie die Verarbeitungsschaltung 168 von 1 implementiert werden.
7 zeigt simulierte Kurven 602, 604, 606, 708, und 710 von Winkelpositionsinformationen mit einer Korrektur für eine positive Phasenverschiebung gemäß einer Ausführungsform. Eine Phasenverschiebungskorrektur kann durch die Verarbeitungsschaltung 168 bestimmt und angewendet werden, um die relative Phasenverschiebung zwischen den ST-Winkelausgabedaten ST Output und dem Halb-Windung-Zählwert Half turn zu korrigieren. Die Phasenverschiebungskorrektur kann von der Summe aus den ST-Winkelausgabedaten ST Output und dem Halb-Windung-Zählwert Half turn zu gewissen Zeiten subtrahiert werden, um die Winkelpositionsdaten Position auf eine Weise zu berechnen, die die relative Phasenverschiebung zwischen diesen Signalen kompensiert. In 6 gibt es einen Fehler in den Winkelpositionsdaten Position, wenn sich die Ausgabe des Winkelsensors zu der letzten Ganz-Windung in der Sequenz (bei 792,5 ms) weiterbewegt, während der Mehrfach-Windungs-Sensor immer noch einen Wert anzeigt, der der vorletzten Windung in der Sequenz entspricht, wie aus dem geraden Wert des Halb-Windungs-Zählwerts Half turn hervorgeht. Deshalb kann eine Korrektur des Dekrementierens einer Ganz-Windung (Subtrahieren von 360 Grad) angewendet werden, wenn der Halb-Windung-Zählwert Half turn gerade ist und sich die ST-Winkelausgabedaten ST_Output im vierten Quadranten (größer als 270 Grad) der nächsten Ganz-Windung befinden. Durch Subtrahieren von 360 Grad unter diesen Bedingungen kann die Verarbeitungsschaltung 168 die mit der relativen Phasenverschiebung zwischen den ST-Winkelausgabedaten ST Output und dem Halb-Windung-Zählwert Half turn assoziierten Fehler korrigieren. Dies kann kontinuierliche Kurven 708 und 710 der Gesamtdrehwinkelpositionsdaten Position ergeben.
8 zeigt simulierte Kurven 802, 804, 806, 808 und 810 von Winkelpositionsinformationen mit negativer Phasenverschiebung. Die Kurve 802 zeigt die ST-Winkelausgabedaten ST Output, wenn sich das Magnetfeld mit von 0 auf 360 Grad steigenden Winkeln dreht. Die Kurven von 8 sind wie die Kurven von 4, außer dass die Phasenverschiebung negativ ist. Bei einer negativen Phasenverschiebung wechselt die Halb-Windung-Ausgabe Half-Turn vor den entsprechenden Übergängen in den ST-Winkelausgabedaten ST Output. Die Kurve 804 ist der Halb-Windung-Zählwert Half-turn, der durch die von einem MT-Sensor kommenden Signale bestimmt wird. Die Kurve 806 ist eine Kurve des Ganz-Windungs-Zählwerts Full-turn, beispielsweise wie durch Gleichung 1 bestimmt. In 8 gibt es eine Zeitverzögerung von etwa 1,0 ms zwischen gewissen Übergängen in der Kurve 804 des Halb-Windungs-Zählwerts Half-turn und entsprechenden Übergängen in der Kurve 802 der ST-Winkelausgabedaten ST_Output. Die Zeitverzögerung entspricht einer Phasenverschiebung, die wiederum einen Fehler in Form einer Diskontinuität in den Gesamtdrehwinkelpositionsdaten Position einführen kann. Beispielsweise gibt es aufgrund der negativen Phasenverschiebung Diskontinuitäten in den Kurven 808 und 810 der Gesamtdrehwinkelpositionsdaten Position(rad) bzw. Position(deg). Der Fehler liegt vor, wenn sich die Mehrfach-Windungs-Sensorausgabe zu einem Wert weiterbewegt, der der zweiten Windung in der Sequenz (bei 11,5 ms) entspricht, wie aus dem geraden Wert des Halb-Windungs-Zählwerts Half-Turn hervorgeht, während die ST-Sensorausgabedaten ST_Output immer noch der ersten Windung in der Sequenz entsprechen.
Die Fehler in den Gesamtdrehwinkelpositionsdaten Position und treten, wie gezeigt, in den Kurven 808 und 810 bei Zeiten von etwa 11,5 ms bis 12,5 ms und 21,5 ms bis 22,5 ms auf. Um den Fehler zu beseitigen, kann ein Verfahren zum Kompensieren der Phasenverschiebung durch eine Verarbeitungsschaltung wie etwa die Verarbeitungsschaltung 168 von 1 implementiert werden.
9 zeigt simulierte Kurven 802, 804, 806, 908 und 910 der Winkelpositionsinformationen mit einer Korrektur für eine negative Phasenverschiebung gemäß einer Ausführungsform. Eine Phasenverschiebungskorrektur kann durch die Verarbeitungsschaltung 168 bestimmt und angewendet werden, um die relative Phasenverschiebung zwischen den ST-Winkelausgabedaten ST Output und dem Halb-Windung-Zählwert Half turn zu korrigieren. Die Phasenverschiebungskorrektur kann von der Summe aus den ST-Winkelausgabedaten ST_Output und dem Halb-Windung-Zählwert Half turn zu bestimmten Zeiten subtrahiert werden, um die Winkelpositionsdaten Position auf eine Weise zu berechnen, die die relative Phasenverschiebung zwischen diesen Signalen kompensiert. In 8 gibt es einen Fehler bei den Winkelpositionsdaten Position, wenn sich die Mehrfach-Windungs-Sensorausgabe zu einem Wert weiterbewegt, der der zweiten Windung in der Sequenz (bei 11,5 ms) entspricht, wie aus dem geraden Wert des Halb-Windungs-Zählwerts hervorgeht, während sich die ST-Sensorausgabe immer noch in der ersten Windung in der Sequenz befindet. Deshalb kann eine Korrektur des Dekrementierens einer Ganz-Windung (Subtrahieren von 360 Grad) angewendet werden, wenn der Halb-Windung-Zählwert Half turn gerade ist und sich die ST-Winkelausgabedaten ST_Output in dem vierten Quadranten (größer als 270 Grad) der vorausgegangenen Windung befinden. Durch Subtrahieren von 360 Grad unter diesen Bedingungen kann die Verarbeitungsschaltung 168 die mit der relativen Phasenverschiebung zwischen den ST-Winkelausgabedaten ST_Output und dem Halb-Windung-Zählwert Half turn assoziierten Fehler korrigieren. Dies kann kontinuierliche Kurven 908 und 910 der Gesamtdrehwinkelpositionsdaten Position ergeben.
10 zeigt simulierte Kurven 1002, 1004, 1006, 1008 und 1010 der Winkelpositionsinformationen mit negativer Phasenverschiebung, bei denen sich die Winkelposition relativ zu den simulierten Kurven von 8 in einer entgegengesetzten Richtung ändert. Die Kurve 1002 zeigt die ST-Winkelausgabedaten ST Output, wenn sich das Magnetfeld mit einem von 360 auf 0 Grad abnehmenden Winkel dreht. Die Kurven von 10 sind wie die Kurven von 8, außer dass sich das Magnetfeld in der entgegengesetzten Richtung dreht. Die Kurve 1004 ist der Halb-Windung-Zählwert Half-turn, der durch die von einem MT-Sensor kommenden Signale bestimmt wird. Die Kurve 1006 ist eine Kurve des Ganz-Windungs-Zählwerts Full-turn, wie beispielsweise durch Gleichung 1 bestimmt. In 10 gibt es eine Zeitverzögerung von etwa 1,0 ms zwischen gewissen Übergängen in der Kurve 1004 des Halb-Windungs-Zählwerts Half-turn und entsprechenden Übergängen in der Kurve 1002 der Singleturn-Winkelausgabedaten ST_Output. Die Zeitverzögerung entspricht einer Phasenverschiebung, die wiederum einen Fehler in die Gesamtdrehwinkelpositionsdaten Position einführen kann. Beispielsweise gibt es aufgrund der negativen Phasenverschiebung Diskontinuitäten in den Kurven 1008 und 1010 der Gesamtdrehwinkelpositionsdaten Position(rad) bzw. Position(deg). Der Fehler liegt vor, wenn sich die Mehrfach-Windungs-Sensorausgabe zu einem Wert weiterbewegt, der der letzten Windung in der Sequenz (bei 794 ms) entspricht, wie aus dem ungeraden Wert des Halb-Windungs-Zählwerts Half-Turn hervorgeht, während die ST-Sensorausgabedaten ST_Output immer noch der vorletzten Windung in der Sequenz entsprechen.
Die Fehler in den Gesamtdrehwinkelpositionsdaten Position und treten wie gezeigt in den Kurven 1008 und 1010 zu Zeiten von etwa 784 ms bis 785 ms und 794 ms bis 795 ms auf. Um die Fehler zu beseitigen, kann ein Verfahren zum Kompensieren der relativen Phasenverschiebung durch eine Verarbeitungsschaltung wie etwa die Verarbeitungsschaltung 168 von 1 implementiert werden.
11 zeigt die simulierten Kurven 1002, 1004, 1006, 1108 und 1110 der Winkelpositionsinformationen mit einer Korrektur für eine negative Phasenverschiebung gemäß einer Ausführungsform. Eine Phasenverschiebungskorrektur kann durch die Verarbeitungsschaltung 168 bestimmt und angewendet werden, um die relative Phasenverschiebung zwischen den ST-Winkelausgabedaten ST_Output und dem Halb-Windung-Zählwert Half turn zu korrigieren. Die Phasenverschiebungskorrektur kann zu den ST-Winkelausgabedaten ST_Output und dem Halb-Windung-Zählwert Half turn zu bestimmten Zeiten addiert werden, um die Winkelpositionsdaten Position auf eine Weise zu berechnen, die die relative Phasenverschiebung zwischen diesen Signalen kompensiert. In 10 gibt es einen Fehler in den Winkelpositionsdaten Position, wenn sich die Mehrfach-Windungs-Sensorausgabe zu einem Wert weiterbewegt, der der letzten Windung in der Sequenz (bei 794 ms) entspricht, wie aus dem ungeraden Wert des Halb-Windungs-Zählwerts hervorgeht, während die ST-Sensorausgabedaten ST_Output immer noch der vorletzten Windung in der Sequenz entsprechen. Deshalb kann eine Korrektur einer Ganz-Windung durch Addieren von 360 Grad angewendet werden, wenn der Halb-Windung-Zählwert Half turn ungerade ist und die ST-Winkelausgabedaten ST_output sich im ersten Quadranten (weniger als 90 Grad) der vorausgegangenen Windung in der Sequenz befinden. Durch Addieren von 360 Grad unter diesen Umständen kann die Verarbeitungsschaltung 168 die relative Phasenverschiebung zwischen den ST-Winkelausgabedaten ST_Output und dem Halb-Windung-Zählwert Half turn korrigieren. Dies kann zu kontinuierlichen Kurven 1108 und 1110 für die Gesamtdrehwinkelpositionsdaten Position führen.

Das Korrekturverfahren, wie in der Erörterung der 3 bis 11 beschrieben, kann wie in Tabelle 1 gezeigt zusammengefasst werden. Eine beliebige geeignete Elektronikschaltungsanordnung kann eine Phasenverschiebungskorrektur auf Basis der Prinzipien und Vorteile von Tabelle 1 bestimmen. Eine derartige Elektronikschaltungsanordnung kann eine Verarbeitungsschaltung, einen ASIC, einen Mikrocontroller, einen Mikroprozessor usw. enthalten. Unter Bezugnahme auf Tabelle 1 zeigt die erste Spalte den Typ Halb-Windung-Zählwert Half turn, der entweder eine gerade oder ungerade Parität besitzt. Der Halb-Windung-Zählwert Half turn beginnt mit der ungeraden Parität (erste Zeile) in Tabelle 1. Die zweite Spalte zeigt die ST-Winkelausgabedaten ST_Output in Grad. Die dritte Spalte zeigt die ST-Winkelausgabedaten ST_Output in Radiant. Die vierte und fünfte Spalte stellt die auf Basis des Halb-Windungs-Zählwerts und des ST-Winkels in Grad bzw. Radiant anzuwendende Korrektur dar. Die vierte Spalte zeigt den auf die Gesamtwinkelpositionsdaten Position anzuwendenden Korrekturterm in Grad. Die fünfte Spalte zeigt den auf die Gesamtwinkelpositionsdaten Position anzuwendenden Korrekturterm in Radiant. Tabelle 1

HT-Zählwert	ST-Winkel		Korrektur
HT-Zählwert	Grad	Rad	Grad	Rad
Ungerade	<90°	<π/2	Addieren 360°	Addieren 2π
Ungerade	>90°	>π/2	Keine	Keine
Gerade	>270°	>3π/2	Subtrahieren 360°	Subtrahieren 2π
Gerade	<270°	<3π/2	Keine	Keine

Tabelle 1 entspricht einer bestimmten Anordnung eines relativ zu einem Winkelsensor angeordneten Mehrfach-Windungs-Sensors. Jeder der Phasenverschiebungskorrekturwerte in Tabelle 1 kann verstellt werden, um eine zusätzliche Phasenverschiebung zu berücksichtigen, die aus einer anderen Platzierung (z. B. einem anderen Winkel) des Mehrfach-Windungs-Sensors relativ zu einem Winkelsensor resultiert. Die zusätzliche Verstellung kann eine Verstellung um ein vorbestimmtes oder festes Ausmaß sein. Tabelle 2 unten fasst ein Beispiel einer Phasenverschiebungskorrektur zusammen, die die Phasenverschiebungskorrektur von Tabelle 1 und eine Verstellung um ein vorbestimmtes Ausmaß enthält. Jede geeignete Elektronikschaltungsanordnung kann eine Phasenverschiebungskorrektur auf Basis der mit Tabelle 2 assoziierten Prinzipien und Vorteile bestimmen. Eine derartige Elektronikschaltungsanordnung kann eine Verarbeitungsschaltung, einen ASIC, einen Mikrocontroller, einen Mikroprozessor usw. enthalten. Wie in Tabelle 2 gezeigt kann eine zusätzliche Verstellung von X relativ zu den Verstellungen in Tabelle 1 angewendet werden, um die Phasenverschiebung zu kompensieren, die aus der anderen Platzierung des Mehrfach-Windungs-Sensors relativ zu einem Winkelsensor resultiert. X kann ein beliebiger geeigneter positiver oder negativer Wert für eine derartige Kompensation sein. X kann ein vorbestimmter Wert sein, der auf der Anordnung eines Mehrfach-Windungs-Sensors relativ zu einem Winkelsensor basiert. Tabelle 2 zeigt an, dass eine von null verschiedene Phasenverschiebungskorrektur für jede Kombination aus Halb-Windung-Zählwert von dem Mehrfach-Windungs-Sensor und Winkel von dem Winkelsensor angewendet werden kann. Während Tabelle 2 Winkel- und Korrekturwerte in Grad enthält, können Radiant-Werte alternativ oder zusätzlich verwendet werden. Tabelle 2

HT-Zählwert ST-Winkel Korrektur

Ungerade <90° + 360° +X°

Ungerade >90° +X°

Gerade >270° - 360° +X°

Gerade <270° +X°
Tabelle 1 entspricht, dass X in Tabelle 2 gleich null ist. Die Tabellen 1 und 2 zeigen, dass die hierin erörterte Phasenverschiebungskorrektur dem Addieren einer vollen Windung für einen ungeraden Halb-Windung-Zählwert entsprechen kann, wenn ein Winkel kleiner als 90° ist relativ dazu, wenn der Winkel größer als 90 ist. Die Tabellen 1 und 2 zeigen auch, dass die hierin erörterte Phasenverschiebungskorrektur dem Subtrahieren einer vollen Windung für einen geraden Halb-Windung-Zählwert entsprechen kann, wenn ein Winkel größer als 270° ist relativ dazu, wenn der Winkel weniger als 270° beträgt.
Obwohl die Tabellen 1 und 2 Anordnungen entsprechen, wo der Halb-Windung-Zählwert Half turn mit einer ungeraden Parität beginnt, sind andere Konfigurationen und/oder Anordnungen möglich. Beispielsweise kann der Typ Halb-Windung-Zählwert mit einer geraden Parität beginnen, wie in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3 entspricht dem, wenn ein anfänglicher Halb-Windung-Zählwert mit einer geraden Parität beginnt. Dies kann auf eine Vielzahl von Umständen zurückzuführen sein. Beispielsweise kann aus Funktionssicherheitsgründen der Halb-Windung-Zählwert bei einigen Anwendungen mit einer ungeraden Parität starten. Tabelle 3 unten fasst ein Beispiel ähnlich dem von Tabelle 2 zusammen, außer mit einer entgegengesetzten Parität (gerade mit ungerade vertauscht) in der ersten Spalte. Der Fall, wo X in Tabelle 3 gleich null ist, entspricht dem Vertauschen von Paritätswerten in Tabelle 1. Tabelle 3

HT-Zählwert ST-Winkel Korrektur

Gerade <90° + 360° +X°

Gerade >90° + X°

Ungerade >270° - 360° +X°

Ungerade <270° + X°
Die Tabellen 1 bis 3 veranschaulichen, dass die Phasenverschiebungskorrektur auf Basis des Halb-Windungs-Zählwerts mit einem spezifischen Paritätswert und mit dem Singleturn-Winkel innerhalb eines bestimmten Bereichs bestimmt werden kann. Die Tabellen 1 bis 3 veranschaulichen, dass die Phasenverschiebungskorrektur dem Addieren von 360° entsprechen kann, wenn der Halb-Windung-Zählwert eine spezifische Parität ist (d. h. ungerade in Tabelle 1 und 2 oder gerade in Tabelle 3) und die Ausgabe des Winkelsensors einem Winkel kleiner als 90° entspricht. In diesen Tabellen wird eine Phasenverschiebung von entweder 360° oder 360° + X° für den Halb-Windung-Zählwert der spezifischen Parität und den Winkel von unter 90° addiert. Eine derartige Phasenverschiebungsverstellung ist 360° mehr als für einen Halb-Windung-Zählwert der spezifischen Parität und einen Winkel größer als 90°. Die Tabellen 1 bis 3 veranschaulichen auch, dass die Phasenverschiebungskorrektur dem Subtrahieren von 360° entsprechen kann, wenn der Halb-Windung-Zählwert das Gegenteil der spezifischen Parität ist (d. h. gerade in Tabelle 1 und 2 oder ungerade in Tabelle 3) und die Ausgabe des Winkelsensors einem Winkel größer als 270° entspricht. In diesen Tabellen wird eine Phasenverschiebung von entweder -360° oder -360° +X für den Halb-Windung-Zählwert der entgegengesetzten spezifischen Parität und den Winkel von mehr als 270° addiert. Eine derartige Phasenverschiebungsverstellung ist 360° weniger als für einen Halb-Windung-Zählwert des Gegenteils der spezifischen Parität und einen Winkel von weniger als 270°.
Ein Mehrfach-Windungs-Sensor kann verschiedene Ausgaben liefern, die in einen Halb-Windung-Zählwert decodiert werden können. Beispielsweise kann ein Mehrfach-Windungs-Sensor wie etwa der Mehrfach-Windungs-Sensor 100 von 1 und/oder der Mehrfach-Windungs-Sensor 100 von 2A verschiedene Halbbrücken-Ausgaben liefern. Um einen Halb-Windung-Zählwert zu bestimmen, können die Halbbrücken-Ausgaben gemessen und in einen Speicher eingepflegt werden. Die Halbbrücken-Ausgaben können Spannungen sein. Die Halbbrücken-Ausgaben können außerhalb der Reihenfolge einer magnetischen Zählwertsequenz erfasst werden, um den Leistungsverlust zu reduzieren und/oder zu minimieren. Die in dem Speicher gespeicherten Ausgabewerte können dann zu einer magnetischen Zählwertsequenz umgeordnet werden. Der Halb-Windung-Zählwert kann dann anhand der im Speicher gespeicherten Werte bestimmt werden. Beispielhafte Verfahren zum Bestimmen eines Halb-Windungs-Zählwerts werden nun unter Bezugnahme auf Kurven und Flussdiagramme erörtert. Ein Halb-Windung-Decodierer, wie etwa der Halb-Windung-Decodierer 169 von 1 kann die Mehrfach-Windungs-Sensorausgabe decodieren.
12A zeigt simulierte Sensorausgabekurven 1202, 1204, 1206, 1208, 1210, 1212, 1214, 1216, 1218, 1220, 1222, 1224, 1226, 1228, 1230, 1232 und 1234, die mit einem Halb-Windung-Decodierer assoziiert sind. Alle Sensorausgaben besitzen einen niedrigen Wert (z. B. etwa -2 Millivolt) für einen Halb-Windung-Zählwert von null. In 12A sind die Sensorausgaben alle auf LOW initialisiert. Die Kurve 1202 ist eine Kurve der ST-Winkelausgabedaten ST_Output 1202, die einen Winkel über der Zeit (ms) anzeigen. Die Kurven 1204, 1206, 1208, 1210, 1212, 1214, 1216, 1218, 1220, 1222, 1224, 1226, 1228, 1230, 1232 und 1234 sind ein nulltes, erstes, zweites, drittes, viertes, fünftes, sechstes, siebtes, achtes, neuntes, zehntes, elftes, zwölftes, dreizehntes, vierzehntes bzw. fünfzehntes Ausgangssignal, die jeweils durch den Mehrfach-Windungs-Sensor geliefert werden. Jedes kann auch eine Spannung einer mit dem MT-Sensor 100 assoziierten Wheatstone-Brückenschaltung sein. Bei einigen Fällen kann der MT-Sensor 100 insgesamt 80 Halbbrücken-Spannungen besitzen, die gemessen und in ein Array eingepflegt werden können. Mit 80 Halbbrücken kann der MT-Sensor 100 40 Windungen zählen. Im Allgemeinen können bestimmte MT-Sensoren halb so viele Windungen wie Halbbrücken zählen. Die Arrayelemente können zu der magnetischen Sequenz umgeordnet und decodiert werden, wobei ein Halb-Windung-Decodierprozess verwendet wird, beispielsweise wie unter Bezugnahme auf 12B beschrieben.
12B ist ein Flussdiagramm eines Prozesses 1250 zum Decodieren von Halb-Windungen aus einer Ausgabe eines Mehrfach-Windungs-Sensors gemäß einer Ausführungsform. Der Prozess 1250 kann durch eine beliebige geeignete Elektronikschaltungsanordnung implementiert werden, die konfiguriert ist zum Bestimmen eines Halb-Windungs-Zählwerts von einer Mehrfach-Windungs-Sensorausgabe. Beispielsweise kann die Verarbeitungsschaltung 168 von 1 einen Halb-Windung-Decodierer 169 enthalten, der zum Implementieren des Prozesses 1250 ausgelegt ist. Als ein weiteres Beispiel kann ein Halb-Windung-Decodierer mit dem Mehrfach-Windungs-Sensor integriert werden und einen Halb-Windung-Zählwert an eine Verarbeitungsschaltung liefern. Der Prozess 1250 initialisiert den Halb-Windung-Zählwert Half-turn bei Block 1252 durch Setzen von Half-turn auf 0. Wie bezüglich 12A beschrieben kann der Sensor derart initialisiert werden, dass alle Sensorausgaben einen niedrigen Wert besitzen. Wenn alle Sensorausgaben auf LOW sind, kann der Halb-Windung-Zählwert gleich null sein. Bei Block 1254 wird ein ganzzahliger Index N auf 0 gesetzt. Der Prozess 1250 verwendet den ganzzahligen Index N als einen Zeiger oder Index eines Ausgabevektors Output(N), wobei jeder Wert des Ausgabevektors Output(N) einer der Halbbrücken-Ausgabespannungen von 12A entspricht. Bei Block 1256 bestimmt der Prozess 1250, ob die Halbbrücken-Ausgabespannungen Output(N) und Output(N+1) gesetzt oder nicht gesetzt sind. Falls mindestens eines von Output(N) und Output(N+1) gesetzt ist (z. B. keinen niedrigen Wert wie etwa -2 Millivolt besitzt), dann wird der Halb-Windung-Zählwert Half-turn bei Block 1258 um eins inkrementiert. Falls alternativ sowohl Output(N) als auch Output(N+1) nicht gesetzt sind (z. B. niedrige Werte besitzen), dann wird der Halb-Windung-Zählwert Half-turn nicht inkrementiert. Bei Block 1260 wird der ganzzahlige Index N inkrementiert. Nach Block 1260 kann der Prozess 1250 zu einem Entscheidungsblock 1256 zurückschleifen. Der Prozess 1250 kann weitergehen, bis jede der Ausgaben des Mehrfach-Windungs-Sensors verarbeitet worden ist.
13A zeigt Sensorausgabekurven 1302, 1304, 1306, 1308, 1310, 1312, 1314, 1316, 1318, 1320, 1322, 1324, 1326, 1328, 1330, 1332 und 1334, die mit einem Halb-Windung-Decodierer assoziiert sind. Alle Sensorausgaben besitzen einen hohen Wert (z. B. etwa 2 Millivolt) für einen Halb-Windung-Zählwert von null. In 13A sind die Sensorausgaben alle auf HIGH initialisiert. Die Kurve 1302 ist eine Kurve der ST-Winkelausgabedaten ST_Output, die einen Winkel über der Zeit (ms) anzeigen. Die Kurven 1304, 1306, 1308, 1310, 1312, 1314, 1316, 1318, 1320, 1322, 1324, 1326, 1328, 1330, 1332 und 1334 sind ein nulltes, erstes, zweites, drittes, viertes, fünftes, sechstes, siebtes, achtes, neuntes, zehntes, elftes, zwölftes, dreizehntes, vierzehntes bzw. fünfzehntes Ausgangssignal, die jeweils durch den Mehrfach-Windungs-Sensor geliefert werden. Jedes kann auch eine Spannung einer mit dem MT-Sensor 100 assoziierten Wheatstone-Brückenschaltung sein. Bei einigen Fällen kann der MT-Sensor 100 insgesamt 80 Halbbrücken-Spannungen besitzen, die gemessen und in ein Array eingepflegt werden können. Die Arrayelemente können zu der magnetischen Sequenz umgeordnet und decodiert werden, wobei ein Halb-Windung-Decodierprozess verwendet wird, beispielsweise wie unter Bezugnahme auf 13B beschrieben
13B zeigt ein Flussdiagramm eines Prozesses 1350 zum Decodieren von Halb-Windungen gemäß einer Ausführungsform. Der Prozess 1350 kann durch eine beliebige geeignete Elektronikschaltungsanordnung implementiert werden, die konfiguriert ist zum Bestimmen eines Halb-Windungs-Zählwerts von einer Mehrfach-Windungs-Sensorausgabe. Beispielsweise kann die Verarbeitungsschaltung 168 von 1 einen Halb-Windung-Decodierer 169 enthalten, der zum Implementieren des Prozesses 1350 ausgelegt ist. Als ein weiteres Beispiel kann ein Halb-Windung-Decodierer mit dem Mehrfach-Windungs-Sensor integriert werden und einen Halb-Windung-Zählwert an eine Verarbeitungsschaltung liefern. Der Prozess 1350 ist wie der Prozess von Figur 12B, außer dass die Sensorzustände inaktiv HIGH sind, falls zwei aufeinanderfolgende Ausgaben HIGH anstelle inaktiv LOW sind, falls zwei aufeinanderfolgende Ausgaben LOW sind und der Sensor in Prozess 1350 anders initialisiert ist. Der Sensor kann derart initialisiert werden, dass alle Sensorausgaben einen hohen Wert besitzen. Wenn alle Sensorausgaben auf HIGH sind, kann der Halb-Windung-Zählwert gleich null sein.
Der Prozess 1350 initialisiert bei Block 1352 den Halb-Windung-Zählwert Half-turn durch Setzen von Half-turn auf 0. Bei Block 1354 wird ein ganzzahliger Index N auf 0 gesetzt. Der Prozess 1350 verwendet den ganzzahligen Index N als Zeiger oder Index eines Ausgabevektors Output(N), wobei jeder Wert des Ausgabevektors Output(N) einer der Halbbrücken-Spannungen von 13A entspricht. Bei Block 1356 bestimmt der Prozess 1350, ob die Halbbrücken-Ausgabespannungen Output(N) und Output(N+1) beide auf HIGH sind. Falls mindestens eine der Ausgabespannungen Output(N) und Output(N+1) keinen hohen Wert besitzt, dann wird der Halb-Windung-Zählwert Half-turn bei Block 1358 um eins inkrementiert. Falls alternativ beide Ausgabespannungen Output(N) und Output(N+1) einen hohen Wert besitzen, dann wird der Halb-Windung-Zählwert Half-turn nicht inkrementiert. Bei Block 1360 wird der ganzzahlige Index N inkrementiert. Nach dem Block 1360 kann der Prozess 1350 zum Entscheidungsblock 1356 zurückschleifen. Der Prozess 1350 kann weitergehen, bis jede der Ausgaben des Mehrfach-Windungs-Sensors verarbeitet worden ist.
14 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses 1500 zum Berechnen einer Position mit einer Phasenverschiebungskompensation gemäß einer Ausführungsform. Der Prozess 1500 kann unter Verwendung einer beliebigen geeigneten Schaltungsanordnung wie etwa der Verarbeitungsschaltung 168 von 1 durchgeführt werden. Bei Block 1501 kann der Halb-Windung-Zählwert Half-turn von dem Ausgang des MT-Sensors decodiert werden. Dies kann beispielsweise das Verwenden beliebiger geeigneter Prinzipien oder Vorteile der Halb-Windung-Decodierer-Prozesse der 12B und/oder Figur 13B beinhalten.
Bei Block 1503 kann eine Phasenverschiebungskorrektur auf Basis des Halb-Windungs-Zählwerts Half-turn und der ST-Winkelausgabedaten ST_Output von dem Winkelsensor bestimmt werden. Das Bestimmen der Phasenverschiebungskorrektur kann das Bestimmen beinhalten, ob der Halb-Windung-Zählwert Half-turn und die ST-Winkelausgabedaten ST_Output die Werte besitzen, die in Tabelle 1 und/oder Tabelle 2 und/oder Tabelle 3 oben eine Phasenverschiebungskorrektur anzeigen. Wenn beispielsweise der Halb-Windung-Zählwert Half-turn ungerade ist und die ST-Winkelausgabedaten ST_Output weniger als 90° (oder π/2 rad) entsprechen, kann die Phasenverschiebungskorrektur ein Addieren von 360° (oder 2π rad) sein. Als ein weiteres Beispiel kann, wenn der Halb-Windung-Zählwert Half-turn gerade ist und die ST-Winkelausgabedaten ST Output mehr als 270° (oder 3π/2 rad) entsprechen, die Phasenverschiebungskorrektur ein Subtrahieren von 360° (oder 2π rad) sein. Keine Phasenverschiebungskorrektur kann bestimmt werden, wenn der Halb-Windung-Zählwert Half-turn und die ST-Winkelausgabedaten ST_Output andere Kombinationen von Werten als in Tabelle 1 und/oder Tabelle 2 und/oder Tabelle 3 oben angegeben besitzen. Dies kann anzeigen, dass die Ausgaben des Mehrfach-Windungs-Sensors und des Winkelsensors ausreichend ausgerichtet sind, so dass keine Phasenverschiebungskorrektur benötigt wird.
Bei Block 1505 werden die Gesamtdrehwinkelpositionsdaten Position entweder in Einheiten von Radiant oder Grad oder beiden berechnet. Die Winkelpositionsdaten Position können unter Verwendung des Halb-Windungs-Zählwerts Half-Turn, der ST-Winkelausgabedaten ST_Output und der Phasenverschiebungskorrektur derart berechnet werden, dass die Winkelpositionsdaten Position frei von einem mit einer Phasenverschiebung zwischen Ausgaben eines MT-Sensors und eines Winkelsensors assoziierten Fehler ist.
15A ist ein schematisches Blockdiagramm eines Magnetwinkelsensorsystems 1600, das einen Mehrfach-Windungs-Sensor 100, einen Winkelsensor 166 und einen Prozessor 168a gemäß einer Ausführungsform enthält. Wie dargestellt enthält der Prozessor 168a einen Analog-Digital-Wandler (ADW) 1602, einen ADW 1604, einen Mikrocontroller 1606 und einen Mikroprozessor 1608. In der Ausführungsform von 15A empfängt der Prozessor 168a Signale S_M von dem MT-Sensor 100 und Signale S_A von dem Winkelsensor 166. Die Signale S_M und S_A können analog-Signale wie etwa Spannungssignale von Wheatstone-Brücken sein. Die Signale S_M von dem MT-Sensor 100 können durch den ADW 1602 in digitale Signale S₁ umgewandelt werden, und die Signale S_A von dem Winkelsensor 166 können durch den ADW 1604 in digitale Signale S₂ umgewandelt werden. Der ADW 1604 liefert die digitalen Signale S₂ an den Mikrocontroller 1606, der diese Informationen wiederum in die ST-Winkelausgabedaten ST_output umwandeln und verarbeiten kann. Der MPU 1608 kann sowohl die ST-Winkelausgabedaten ST_output als auch die digitalen Signale S₁ von dem ADW 1602 kombinieren, um die Gesamtdrehwinkelpositionsdaten Position zu berechnen. Der Mikrocontroller 1606 kann die Ausgabe des MT-Sensors 100 decodieren, um einen Halb-Windung-Zählwert zu bestimmen. Dementsprechend kann der Mikrocontroller 1606 einen Halb-Windung-Decodierer enthalten. Der Mikrocontroller 1608 kann programmiert sein zum Implementieren einer Phasenverschiebungskorrektur gemäß Tabelle 1 und/oder Tabelle 2 und/oder Tabelle 3, um Diskontinuitäten aufgrund eines Phasenoffsets zwischen mit dem Winkelsensor 166 und dem MT-Sensor 100 assoziierten Signalen zu beseitigen.
15B ist ein schematisches Blockdiagramm eines Magnetwinkelsensorsystems 1640, das den Mehrfach-Windungs-Sensor 100, den Winkelsensor 166 und einen Prozessor 168b gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält. Der Prozessor 168b ist ähnlich dem Prozessor 168a von Figur 15A, außer dass er eine applikationsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) 1610, einen Mikrocontroller 1614 und den ADW 1604 enthält. Wie in dem Prozessor 168a von 15A wandelt der ADW 1604 die Signale S_A von dem Winkelsensor 166 in digitale Signale S₂ um. Die Signale S_M von dem MT-Sensor 100 werden an den ASIC 1610 geliefert, der ein digitales Signal S₃ an den Mikrocontroller 1614 liefert. Der ASIC 1610 kann die Ausgabe des MT-Sensors 100 decodieren, um einen Halb-Windung-Zählwert zu bestimmen. Dementsprechend kann der ASIC 1610 einen Halb-Windung-Decodierer enthalten. Der Halb-Windung-Zählwert kann als eine digitale Ausgabe des ASIC 1610 bereitgestellt werden. Der ASIC 1610 kann in gewissen Anwendungen mit dem MT-Sensor 100 integriert werden. Der Mikrocontroller 1614 kann die digitalen Signale S₂ und S₃ verarbeiten, um die Gesamtdrehwinkelpositionsdaten Position zu bestimmen. In der Ausführungsform von 15B kann die Phasenverschiebungskorrektur gemäß Tabelle 1 und/oder Tabelle 2 und/oder Tabelle 3 oben innerhalb des Mikrocontrollers 1614 implementiert werden, um Diskontinuitäten aufgrund von Phasenoffsetfehlern zwischen mit dem Winkelsensor 166 und dem MT-Sensor 100 assoziierten Signalen zu beseitigen.
15C ist ein schematisches Blockdiagramm eines Magnetwinkelsensorsystems 1650, das den Mehrfach-Windungs-Sensor 100, den Winkelsensor 166 und einen Prozessor 168c gemäß einer Ausführungsform enthält. Der Prozessor 168c ist ähnlich den Prozessoren 168a und 168b, außer dass der Prozess 168c einen ASIC 1620 zum Verarbeiten von Ausgaben des MT-Sensors 100 und des Winkelsensors 166 enthält. Der ASIC 1620 kann die Gesamtdrehwinkelpositionsdaten Position berechnen. In der Ausführungsform von 15C kann die Phasenverschiebungskorrektur gemäß Tabelle 1 und/oder Tabelle 2 und/oder Tabelle 3 oben innerhalb des ASIC 1620 implementiert werden, um Diskontinuitäten aufgrund eines Phasenoffsets zwischen mit dem Winkelsensor 166 und dem MT-Sensor 100 assoziierten Signalen zu beseitigen.
Beliebige der hierin erörterten Prinzipien und Vorteile können auf andere Systeme angewendet werden, nicht nur auf die oben beschriebenen Systeme. Einige Ausführungsformen können eine Teilmenge von hierin dargestellten Merkmalen und/oder Vorteilen enthalten. Die Elemente und Operationen der oben beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen bereitzustellen. Die Handlungen der hierin erörterten Verfahren können in einer beliebigen Reihenfolge, wie angemessen, durchgeführt werden. Zudem können die Handlungen der hierin erörterten Verfahren, wie angemessen, seriell oder parallel durchgeführt werden. Wenngleich in bestimmten Anordnungen Schaltungen dargestellt sind, sind andere äquivalente Anordnungen möglich.
Beliebige der hierin erörterten Prinzipien und Vorteile können in Verbindung mit beliebigen anderen Systemen, Vorrichtungen oder Verfahren implementiert werden, die von beliebigen der Lehren hierin profitieren könnten. Beispielsweise können beliebige der hierin erörterten Prinzipien und Vorteile in Verbindung mit beliebigen Einrichtungen mit einer Notwendigkeit zum Korrigieren von von sich drehenden Magnetfeldern abgeleiteten Drehwinkelpositionsdaten implementiert werden. Außerdem können die Einrichtungen beliebige Magnetowiderstands- oder Hall-Effekt-Einrichtungen beinhalten, die Magnetfelder erfassen können.
Aspekte dieser Offenbarung können in verschiedenen Elektronikeinrichtungen oder -systemen implementiert werden. Beispielsweise können gemäß beliebigen der hierin erörterten Prinzipien und Vorteile implementierte Phasenkorrekturverfahren und Sensoren in verschiedenen Elektronikeinrichtungen und/oder in verschiedenen Anwendungen enthalten sein. Zu Beispielen für Elektronikeinrichtungen und -anwendungen können unter anderen Servomotoren, Robotik, Flugzeuge, U-Boote, Zahnbürsten, biomedizinische Erfassungseinrichtungen und Teile der Verbraucherelektronikprodukte wie etwa ein Halbleiter-Die und/oder gekapselte Module, Elektroniktestgeräte usw. zählen. Zu den Verbraucherelektronikprodukten können unter anderen ein Telefon wie ein Smartphone, ein Laptop-Computer, ein Tablet-Computer, eine tragbare Recheneinrichtung wie etwa eine Smartwatch oder ein Ohrhörer, ein Kraftfahrzeug, ein Camcorder, eine Kamera, eine Digitalkamera, ein tragbarer Speicherchip, eine Waschmaschine, ein Trockner, eine Waschmaschine/Trockner, ein Kopiergerät, eine Fax-Maschine, ein Scanner, eine multifunktionale Peripherieeinrichtung usw. zählen. Zudem können zu den Elektronikeinrichtungen unfertige Produkte einschließlich jenen für industrielle, automotive und/oder medizinische Anwendungen zählen.
Sofern der Kontext nicht deutlich etwas anderes erfordert, sind die Wörter „umfassen“, „umfassend“, „enthalten“, „enthaltend“ und dergleichen in der Beschreibung und den Ansprüchen durchweg in einem inklusiven Sinne auszulegen, im Gegensatz zu einem exklusiven oder erschöpfenden Sinne; d. h. im Sinne von „enthaltend, aber nicht begrenzt auf“. Die Wörter „gekoppelt“ oder „verbunden“, wie hierin allgemein verwendet, beziehen sich auf zwei oder mehr Elemente, die entweder direkt oder über ein oder mehrere Zwischenelemente verbunden sein können. Somit können, obwohl die in den Figuren gezeigten verschiedenen Schemadiagramme beispielhafte Anordnungen von Elementen und Komponenten darstellen, zusätzliche dazwischenliegende Elemente, Einrichtungen, Merkmale oder Komponenten in einer tatsächlichen Ausführungsform vorliegen (unter der Annahme, dass die Funktionalität der dargestellten Schaltungen nicht beeinträchtigt wird). Die Wörter „auf Basis“, wie hierin verwendet, sollen allgemein „einzig auf Basis von“ und „mindestens teilweise auf Basis von“ umfassen. Zudem sollen sich die Wörter „hierin“, „oben“, „unten“ und Wörter mit ähnlicher Bedeutung, wenn sie in dieser Anmeldung verwendet werden, sich auf diese Anmeldung als Ganzes und nicht auf beliebige bestimmte Abschnitte dieser Anmeldung beziehen. Wo es der Kontext gestattet, können Wörter in der ausführlichen Beschreibung von gewissen Ausführungsformen unter Verwendung der Einzahl oder Mehrzahl auch die Mehrzahl bzw. Einzahl beinhalten. Die Wörter „oder“ unter Bezugnahme auf eine Liste von zwei oder mehr Elementen soll alle die folgenden Interpretationen des Worts abdecken: beliebige der Elemente in der Liste, alle Elemente in der Liste und eine beliebige Kombination der Elemente in der Liste. Alle Zahlenwerte oder Distanzen, die hierin vorgelegt werden, sollen ähnliche Werte innerhalb eines Messfehlers beinhalten.
Wenngleich gewisse Ausführungsformen beschrieben worden sind, sind diese Ausführungsformen lediglich beispielhaft vorgelegt worden und sollen den Schutzbereich der Offenbarung nicht beschränken. Tatsächlich können die hierin beschriebenen neuartigen Vorrichtungen, Systeme und Verfahren in einer Vielzahl anderer Formen verkörpert werden. Zudem können verschiedene Auslassungen, Substitutionen und Änderungen an der Form der hierin beschriebenen Verfahren und Systeme vorgenommen werden, ohne von dem Gedanken der Offenbarung abzuweichen. Die beiliegenden Ansprüche und ihre Äquivalente sollen derartige Formen oder Modifikationen abdecken, die in den Schutzbereich und Gedanken der Offenbarung fallen würden.

Claims

Magnetsensorsystem, umfassend: einen Mehrfach-Windungs-Sensor umfassend magnetoresistive Erfassungselemente; einen Winkelsensor; und eine Verarbeitungsschaltung in Kommunikation mit dem Mehrfach-Windungs-Sensor und dem Winkelsensor, wobei die Verarbeitungsschaltung konfiguriert ist zum: Bestimmen einer Phasenverschiebungskorrektur auf Basis einer Ausgabe des Mehrfach-Windungs-Sensors und einer Ausgabe des Winkelsensors; und Generieren von Positionsinformationen auf Basis der Phasenverschiebungskorrektur und der Ausgabe des Mehrfach-Windungs-Sensors.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 1, weiterhin einen Halb-Windung-Decodierer umfassend, der konfiguriert ist zum Ausgeben eines Halb-Windungs-Zählwerts auf Basis der Ausgabe des Mehrfach-Windungs-Sensors, und wobei der Prozessor konfiguriert ist zum Bestimmen der Phasenverschiebungskorrektur auf Basis des Halb-Windungs-Zählwerts und der Ausgabe des Winkelsensors.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 2, wobei die Phasenverschiebungskorrektur dem Addieren von 360° entspricht, wenn der Halb-Windung-Zählwert eine spezifische Parität ist und die Ausgabe des Winkelsensors einem Winkel von unter 90° entspricht.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 3, wobei die Phasenverschiebungskorrektur dem Subtrahieren von 360° entspricht, wenn der Halb-Windung-Zählwert eine der spezifischen Parität entgegengesetzte Parität ist und die Ausgabe des Winkelsensors dem entspricht, dass der Winkel über 270° beträgt.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 3 oder 4, wobei die spezifische Parität ungerade ist.
Magnetsensorsystem nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Verarbeitungsschaltung konfiguriert ist zum Generieren der Positionsinformationen auf Basis der Phasenverschiebungskorrektur, der Ausgabe des Mehrfach-Windungs-Sensors und der Ausgabe des Winkelsensors.
Magnetsensorsystem nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Mehrfach-Windungs-Sensor ein Riesenmagnetowiderstand-Sensor ist.
Magnetsensorsystem nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Winkelsensor einen anisotropen magnetoresistiven Sensor umfasst.
Magnetsensorsystem nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Verarbeitungsschaltung konfiguriert ist zum Berechnen der Positionsinformationen ohne die Phasenverschiebungskorrektur als Reaktion auf das Bestimmen, dass die Ausgabe des Mehrfach-Windungs-Sensors und die Ausgabe des Winkelsensors ausreichend in Phase sind.
Magnetsensorsystem nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Phasenverschiebungskorrektur einer Verstellung von 360 in den Positionsinformationen entspricht.
Magnetsensorsystem nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Positionsinformationen ein mit einem Magnetfeld assoziierter Drehwinkel sind.
Magnetsensorsystem nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Verarbeitungsschaltung konfiguriert ist zum Ausgeben kontinuierlicher Positionsinformationen.
Verfahren zum Bestimmen von mit einem Magnetfeld assoziierten Positionsinformationen, umfassend: Bestimmen einer Phasenverschiebungskorrektur auf Basis eines mit einem Mehrfach-Windungs-Sensor assoziierten ersten Signals und eines mit einem Winkelsensor assoziierten zweiten Signals, wobei der Mehrfach-Windungs-Sensor magnetoresistive Erfassungselemente umfasst; und Generieren von mit dem Magnetfeld assoziierten Positionsinformationen auf Basis der Phasenverschiebungskorrektur und des ersten Signals.
Verfahren nach Anspruch 13, weiterhin umfassend das Decodieren eines Halb-Windungs-Zählwerts von dem ersten Signal, wobei das Bestimmen auf dem Halb-Windung-Zählwert basiert.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das erste Signal einen Halb-Windung-Zählwert darstellt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Phasenverschiebungskorrektur dem Addieren einer vollen Windung entspricht, wenn der Halb-Windung-Zählwert eine spezifische Parität ist und das zweite Signal einem Winkel von weniger als einer Viertelumwindung entspricht, und wobei die Phasenverschiebungskorrektur dem Subtrahieren einer vollen Windung entspricht, wenn der Halb-Windung-Zählwert ein Gegenteil der spezifischen Parität ist und das zweite Signal einem Winkel von mehr als drei Vierteln einer Windung entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der Mehrfach-Windungs-Sensor einen Riesenmagnetowiderstands-Sensor umfasst.
Verarbeitungsschaltung zum Bestimmen einer mit einem Magnetfeld assoziierten Position, wobei die Verarbeitungsschaltung Folgendes umfasst: einen ersten Eingang, der konfiguriert ist zum Empfangen eines mit einem Mehrfach-Windungs-Sensor assoziierten ersten Signals; einen zweiten Eingang, der konfiguriert ist zum Empfangen eines mit einem Winkelsensor assoziierten zweiten Signals; und eine Elektronikschaltungsanordnung, die konfiguriert ist zum: Bestimmen einer Phasenverschiebungskorrektur auf Basis des ersten Signals und des zweiten Signals; Generieren von mit dem Magnetfeld assoziierten Positionsinformationen auf Basis der Phasenverschiebungskorrektur und des ersten Signals; und Ausgeben der Positionsinformationen.
Verarbeitungsschaltung nach Anspruch 18, wobei die Elektronikschaltungsanordnung konfiguriert ist zum Berechnen eines Halb-Windungs-Zählwerts auf Basis des ersten Signals und Bestimmen der Phasenverschiebungskorrektur auf Basis des Halb-Windungs-Zählwerts.
Verarbeitungsschaltung nach Anspruch 18, wobei das erste Signal einen Halb-Windung-Zählwert darstellt und wobei die Elektronikschaltungsanordnung konfiguriert ist zum Bestimmen der Phasenverschiebungskorrektur, so dass: die Phasenverschiebungskorrektur dem Addieren einer vollen Windung entspricht, wenn der Halb-Windung-Zählwert eine spezifische Parität ist und das zweite Signal weniger als einer Viertelwindung entspricht; und die Phasenverschiebungskorrektur dem Subtrahieren einer vollen Windung entspricht, wenn der Halb-Windung-Zählwert ein Gegenteil der spezifischen Parität ist und das zweite Signal mehr als einer Dreiviertelwindung entspricht.