DE102018117459A1

DE102018117459A1 - Sensorvorrichtung, System und Winkelerfassungsverfahren

Info

Publication number: DE102018117459A1
Application number: DE102018117459.4A
Authority: DE
Inventors: Helmut Koeck; Dietmar Spitzer; Leo Aichriedler; Dirk Hammerschmidt; Andrea Monterastelli; Friedrich RASBORNIG; Peter Slama; Tobias Werth; Harald Witschnig
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2017-07-20
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2019-01-24
Also published as: CN109283355A; CN109283355B

Abstract

Eine Sensorvorrichtung mit einem magnetfeldempfindlichen Element, das in einem Magnetfeld eines Magneten positioniert ist, wird bereitgestellt. Das magnetfeldempfindliche Element ist ausgelegt zum Erfassen eines Orientierungswinkels des Magnetfelds in dem Bereich zwischen 0° und 360° und zum Erzeugen eines Erfassungssignals. Die elektronische Schaltungsanordnung ist ausgelegt zum Empfangen und Verarbeiten des Erfassungssignals von dem magnetfeldempfindlichen Element zum Erzeugen eines Winkelsignals, das den Orientierungswinkel des Magnetfelds anzeigt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Sensorvorrichtung und ein Erfassungssystem und ein Verfahren zum Verarbeiten eines Erfassungssignals.
HINTERGRUND
In verschiedenen Technologiefeldern wird die Drehung einer Welle erfasst. Verschiedene Steuerungsfunktionalitäten können sich auf die erfasste Drehung der Welle stützen. Beispielsweise kann eine Drehzahl oder eine Winkelgeschwindigkeit einer Welle eines Getriebes verwendet werden zum Steuern des Betriebs des Getriebes. Beispielsweise kann eine Winkelgeschwindigkeit einer Welle einer Radachse verwendet werden zum Überwachen von Reibschluss des entsprechenden Rads; wobei dies für Antiblockiersysteme oder elektronische Stabilitätssysteme in Fahrzeugen nützlich sein kann.
Ein bekannter Weg zum Erfassen einer Drehung der Welle besteht im Platzieren eines ferromagnetischen Zahnrads auf der Welle und Verwenden eines Sensors zum Detektieren eines Durchgangs von Zähnen des Zahnrads. Typischerweise ist der Sensor unter einem Abstand von der Drehachse der Welle platziert; häufig ist der Sensor radial von dem ferromagnetischen Zahnrad versetzt platziert. Die Ausgabe eines solchen Sensors entspricht typischerweise einem Pulsmuster, in welchem die Frequenz der Pulse gemäß der Drehzahl variiert. Indem den verschiedenen Zähnen des Zahnrads eine Größe gegeben wird, welche gegenüber anderen Zähnen des Zahnrads unterscheidbar ist, wird es auch möglich, im Verlauf einer einzigen Drehung der Welle zwischen verschiedenen Winkelstellungen zu unterscheiden. Es ist beispielsweise vorstellbar, lediglich einen der Zähne von den anderen unterschiedlich zu machen, so dass eine Winkelstellung des Zahnrads identifiziert werden kann. Ohne Einschränkung kann mehr als einer der Zähne identifizierbar gemacht werden, wodurch mehr als eine der Winkelstellungen identifizierbar gemacht wird.
Allerdings erfordert Auswertung des Drehwinkels unter Verwendung eines solchen Zahnrads, dass sich die Welle tatsächlich dreht. Manchmal ist mindestens eine volle Umdrehung nötig, um die absolute Orientierung zu bestimmen. Ferner werden möglicherweise komplexe Algorithmen benötigt, um den Drehwinkel aus dem erfassten Pulsmuster genau zu schätzen. Auch kann die erreichbare Genauigkeit signifikant von einer Herstellgenauigkeit des Zahnrads sowie von einer Präzision beim Montieren des Sensors relativ zu dem Zahnrad abhängen. Weiterhin können die Zahnräder - mitunter auch als Magnetencoderräder bezeichnet - signifikanten Raum benötigen und können vergleichsweise teuer sein.
Dementsprechend gibt es Bedarf für Techniken, welche Erfassen einer Drehung einer Welle auf eine effiziente und genaue Weise ermöglichen.
KURZDARSTELLUNG
Es werden eine Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, ein System nach Anspruch 10 sowie ein Winkelerfassungsverfahren nach Anspruch 16 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Gemäß einigen Ausführungsformen ist eine Sensorvorrichtung bereitgestellt. Die Sensorvorrichtung kann ein magnetfeldempfindliches Element umfassen, das in einem Magnetfeld eines Magneten positioniert werden soll, der an einer Endfläche einer Welle positioniert ist, wobei das magnetfeldempfindliche Element ausgelegt ist zum Erfassen eines Orientierungswinkels des Magnetfelds in dem Bereich von 0° bis 360° und zum Erzeugen eines Erfassungssignals, umfassend eine erste Erfassungssignalkomponente und eine zweite Erfassungssignalkomponente, welche eine 90°-Phasenverschiebung aufweisen. Die Sensorvorrichtung kann ferner eine elektronische Schaltungsanordnung umfassen. Die elektronische Schaltungsanordnung ist ausgelegt zum Empfangen und Verarbeiten des Erfassungssignals von dem magnetfeldempfindlichen Element zum Erzeugen eines Winkelsignals, das den Orientierungswinkel des Magnetfelds anzeigt.
Gemäß einigen weiteren Ausführungsformen ist ein System bereitgestellt. Das System kann eine drehbare Welle und einen auf einer Endfläche der Welle positionierten Magneten umfassen. Das System kann ferner ein in einem Magnetfeld des Magneten positioniertes magnetfeldempfindliches Element umfassen, wobei das magnetfeldempfindliche Element ausgelegt ist zum Erfassen eines Orientierungswinkels des Magnetfelds in dem Bereich von 0° bis 360° und zum Erzeugen eines Erfassungssignals. Das System kann ferner eine elektronische Schaltungsanordnung umfassen, die ausgelegt ist zum Empfangen und Verarbeiten des Erfassungssignals von dem magnetfeldempfindlichen Element zum Erzeugen eines Winkelsignals, das den Orientierungswinkel des Magnetfelds anzeigt. Die elektronische Schaltungsanordnung ist ausgelegt zum Verarbeiten des Erfassungssignals durch Auswählen verschiedener Verarbeitungsverfahren in Abhängigkeit von einer Winkelgeschwindigkeit der Welle.
Gemäß einigen weiteren Ausführungsformen ist ein Winkelerfassungsverfahren bereitgestellt. Das Winkelerfassungsverfahren umfasst Erzeugen eines Erfassungssignals durch ein magnetfeldempfindliches Element, wobei das Erfassungssignal eine erste Erfassungssignalkomponente und eine zweite Erfassungssignalkomponente umfasst, welche zueinander eine 90°-Phasenverschiebung aufweisen. Das Winkelerfassungsverfahren umfasst ferner Verarbeiten des Erfassungssignals durch eine elektronische Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines Winkelsignals, das einen Orientierungswinkel des Magnetfelds anzeigt. Das Erfassungssignal wird verarbeitet zum Erzeugen des Winkelsignals durch Auswählen verschiedener Verarbeitungsverfahren in Abhängigkeit von einer Winkelgeschwindigkeit der Welle.
Figurenliste

1 veranschaulicht schematisch eine Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
2 zeigt ein Blockdiagramm zum schematischen Veranschaulichen von Funktionalitäten der Sensorvorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen.
3A zeigt ein beispielhaftes Pulsmuster in einem durch eine Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform erzeugten Signal.
3B veranschaulicht schematisch ein ferromagnetisches Zahnrad in Kombination mit einem Sensor, wobei das ferromagnetische Zahnrad ein im Wesentlichen dem Pulsmuster von 3A entsprechendes Profil aufweist.
4 veranschaulicht schematisch ein System gemäß einer Ausführungsform, umfassend eine Sensorvorrichtung und eine Welle eines Getriebes eines Fahrzeugs.
5 veranschaulicht schematisch ein System gemäß einer Ausführungsform, bei dem eine Sensorvorrichtung und eine Welle einer Radachse eines Fahrzeugs bereitgestellt sind.
6 veranschaulicht schematisch ein System gemäß einer Ausführungsform, bei dem eine Sensorvorrichtung und eine Welle eines bürstenlosen Gleichstrommotors bereitgestellt sind.
7A und 7B zeigen Blockdiagramme zum schematischen Veranschaulichen von Funktionalitäten der Sensorvorrichtung gemäß einigen alternativen Ausführungsformen.
8 zeigt ein beispielhaftes durch eine Sensorvorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen erzeugtes Signal.
9A und 9B zeigen Blockdiagramme zum schematischen Veranschaulichen von Funktionalitäten der Sensorvorrichtung gemäß einigen alternativen Ausführungsformen.
10 zeigt ein beispielhaftes durch eine Sensorvorrichtung gemäß einigen alternativen Ausführungsformen erzeugtes Signal.
11A und 11B zeigen Blockdiagramme zum schematischen Veranschaulichen von Funktionalitäten der Sensorvorrichtung gemäß einigen alternativen Ausführungsformen.

Obgleich die Erfindung für verschiedene Modifikationen und alternative Formen offen ist, wurden spezielle Formen davon in den Zeichnungen als Beispiele gezeigt und werden ausführlich beschrieben werden. Es versteht sich jedoch, dass die Absicht nicht das Beschränken der Erfindung auf die bestimmten beschriebenen Ausführungsformen ist. Die Absicht ist im Gegenteil, alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abzudecken, die innerhalb des Wesens und des Schutzumfangs der wie durch die beigefügten Ansprüche definierten Erfindung liegen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen ausführlich unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es sei angemerkt, dass diese Ausführungsformen lediglich als Beispiele dienen und nicht als beschränkend aufzufassen sind. Beispielsweise können, obgleich Ausführungsformen mit einer Vielzahl von Merkmalen, andere Ausführungsformen weniger und/oder alternative Merkmale umfassen. Darüber hinaus können Merkmale verschiedener Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, es sei denn, Anderes ist ausdrücklich angegeben.
Wie im Folgenden veranschaulichte Ausführungsformen betreffen Techniken des Erfassens der Drehung einer Welle, insbesondere einer Welle eines Getriebes eines Fahrzeugs, einer Welle eines bürstenlosen Gleichstrommotors und einer Welle einer Radachse eines Fahrzeugs. Die veranschaulichten Ausführungsformen decken entsprechende Sensorvorrichtungen, -systeme und -verfahren ab.
Bei den veranschaulichten Ausführungsformen wird ein magnetfeldempfindliches Element verwendet, welches in einem Magnetfeld eines Magneten positioniert ist. Der Magnet ist an einer Endfläche der Welle positioniert. Das magnetfeldempfindliche Element ist ausgelegt zum Erfassen eines Orientierungswinkels des Magnetfelds in dem Bereich zwischen 0° und 360°. Anhand dieses Winkels kann es möglich sein, die Orientierung des Magnetfelds eindeutig zu bestimmen.
Das magnetfeldempfindliche Element kann unter anderem auf einem magnetoresistiven Effekt basieren, wie etwa dem Riesenmagnetowiderstandseffekt (GMR), dem anisotropen Magnetowiderstandseffekt (AMR), dem Tunnel-Magnetowiderstandseffekt (TMR) oder dem Hall-Effekt. Ein Ausführungsbeispiel des magnetfeldempfindlichen Elements könnte auf zwei GMR-Vorrichtungen basieren, mit zwei verschiedenen Maximalempfindlichkeitsrichtungen in einer Ebene, welche parallel zu einer Endfläche der Welle und senkrecht zu einer Längsrichtung und Drehachse der Welle ist. Solch ein magnetfeldempfindliches Element kann genaue Detektion des Orientierungswinkels des Magnetfelds eines Magneten bestimmen, der eine Magnetisierung aufweist, welche senkrecht zu der Drehachse der Welle orientiert ist. Insbesondere kann ein solches magnetfeldempfindliches Element auf eine kompassähnliche Weise verwendet werden, um die Orientierung des Magnetfelds des mit der Welle mitdrehenden Magneten zu erfassen.
Ferner können die veranschaulichten Ausführungsformen eine gespeicherte Abbildung von Pulsflanken auf Orientierungswinkel verwenden. Bei manchen Ausführungsformen kann die Abbildung konfigurierbar sein, beispielsweise durch Programmieren des Speichers. In Abhängigkeit von dieser Abbildung und dem Orientierungswinkel des Magnetfelds, wie es durch das magnetfeldempfindliche Element erfasst wird, wird ein erstes Signal erzeugt, welches ein Pulsmuster mit ansteigenden und abfallenden Pulsflanken beinhaltet. Innerhalb des ersten Signals können die ansteigende und/oder die abfallende Flanke auf die vordefinierten Orientierungswinkel, wie sie durch das magnetfeldempfindliche Element erfasst werden, abgebildet werden. Das erste Signal kann verwendet werden zum Emulieren eines Pulsmusters, wie es durch eine Sensorbaugruppe erzeugt wird, welche auf einem asymmetrischen Zahnrad basiert, wie zuvor erläutert wurde. Eine derartige Ausbildung des ersten erreicht somit Kompatibilität mit vorhandenen Sensorvorrichtungen, welche sich auf solche asymmetrischen Zahnräder abstützen.
Zusätzlich kann die erfasste Winkelorientierung verwendet werden zum Erzeugen eines zweiten Signals, welches einen Drehwinkel der Welle in dem Bereich zwischen 0° und 360° repräsentiert. In dem letzteren Fall kann der Drehwinkel durch einen digitalen Wert, einen analogen Wert oder ein pulsweitenmoduliertes Signal repräsentiert werden. Das pulsweitenmodulierte Signal kann, mit anderen Worten, einem pulsweitenmodulierten Wert entsprechen. Verschiedene Betriebsmodi können zum Ausgeben entweder des ersten oder des zweiten Signals bereitgestellt sein. Beispielsweise kann eine Sensorvorrichtung mit einem ersten Betriebsmodus, in welchem die Sensorvorrichtung das erste Signal ausgibt, und einem zweiten Betriebsmodus, in welchem die Sensorvorrichtung das zweite Signal anstatt des ersten Signals ausgibt, versehen sein. Gleichermaßen kann der Sensor in noch einem weiteren Betriebsmodus sowohl das erste Signal als auch das zweite Signal ausgeben.
Bei manchen Ausführungsformen kann die Orientierung des wie durch das magnetfeldempfindliche Element erfassten Magnetfelds auch als Grundlage zum Erzeugen weiterer Signale verwendet werden. Beispielsweise kann in Abhängigkeit von dem erfassten Orientierungswinkel ein weiteres Signal erzeugt werden, welches eine Winkelgeschwindigkeit der Welle repräsentiert. Die Winkelgeschwindigkeit kann unter anderem durch einen digitalen Wert, einen analogen Wert oder ein pulsweitenmoduliertes Signal repräsentiert werden. Das weitere Signal kann eine vordefinierte Periodizität pro Umdrehung der Welle aufweisen. Mit anderen Worten kann sich eine Wiederholung von Basisaufbaublöcken - wie etwa Pulsen oder Halbwellen oder Vollwellen - des Signals zu einer gewissen vordefinierten Anzahl ergeben. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann es eine Anzahl von zehn Tastzyklen pro Umdrehung geben. Die vordefinierte Periodizität kann Emulieren der Ausgabe einer herkömmlichen, auf Grundlage eines Zahnrads betriebenen Sensorvorrichtung ermöglichen. Die vordefinierte Periodizität kann einer Anzahl von Zähnen des emulierten Zahnrads entsprechen.
Die obigen Ausführungsformen werden nun weiter unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
1 veranschaulicht schematisch eine Sensorvorrichtung 200 gemäß einer Ausführungsform. Die Sensorvorrichtung 200 ist ausgelegt zum Erfassen einer Drehung einer Welle 100, d. h. von Ausrichtung und/oder Winkelgeschwindigkeit. Dementsprechend wird die Sensorvorrichtung 200 im Folgenden auch als ein Drehsensor bezeichnet.
Die Welle kann eine Welle eines Getriebes eines Fahrzeugs oder eine Welle eines bürstenlosen Gleichstrommotors oder eine Welle einer Radachse eines Fahrzeugs sein.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform beinhaltet die Sensorvorrichtung 200 ein magnetfeldempfindliches Element 210, im Folgenden auch als ein Sensorelement bezeichnet, und einen Magneten 220. Weitere elektronische Schaltungsanordnungen 230 sind bei der veranschaulichten Ausführungsform bereitgestellt. Wie veranschaulicht kann der Magnet 220 ein auf einer Endfläche der Welle 100 montierter scheibenförmiger Dipolmagnet sein. Die Magnetisierung des Magneten 220 (vom Südpol „S“ zum Nordpol „N“) ist senkrecht zu der Längsdrehachse 110 der Welle 100 orientiert. Die Magnetisierung kann dem intern wirkenden Magnetfeld entsprechen. Eine Grenze zwischen Nord- und Südpol des Magneten 220 kann senkrecht zu der Magnetisierung orientiert sein. Wenn sich die Welle, wie durch den Pfeil angezeigt, dreht, ändert sich dementsprechend die Orientierung des Magnetfelds des Magneten 220 im Gegenuhrzeigersinn um die Längsdrehachse 110 der Welle 100 (in 1 von dem distalen Ende der Achse zum Magneten hin gesehen).
Wie oben erwähnt wurde, kann das Sensorelement 210 beispielsweise auf zwei GMR-Vorrichtungen basieren, welche jeweils eine andere Maximalempfindlichkeitsrichtung in einer Ebene aufweisen, welche senkrecht zu der Längsdrehachse 110 der Welle 100 steht, wodurch Erfassen des Absolutwinkels der Orientierung des Magnetfelds in einem Bereich von 0° bis 360° ermöglicht wird.
Die geometrische Gestalt und die magnetische Konfiguration des Magneten 220 sind nicht besonders beschränkt. Wie oben erwähnt, ist in dem Szenarium von 1 ein scheibenförmiges Element gezeigt, das einen magnetischen Dipol ausbildet. Eine Hälfte der Scheibe bildet den magnetischen Nordpol N aus und die andere Hälfte der Scheibe bildet den magnetischen Südpol S aus. Die Magnetachse, d. h. die geometrische Verbindung zwischen Nordpol N und Südpol S ist senkrecht zu der Achse der Welle orientiert. Es ist auch möglich, dass magnetische Multipolelemente verwendet werden, welche mehrere Nordpole und entsprechende Südpole umfassen. Dies kann eine Empfindlichkeit und Genauigkeit beim Erfassen des Orientierungswinkels des Magnetfelds erhöhen. Bei einem derartigen Szenarium ist der Drehsensor typischerweise mit Informationen über eine räumliche Gestalt des durch den Magneten 220 erzeugten Magnetfelds vorkonfiguriert. Bei einer Ausführungsform kann es wünschenswert sein, ein flaches Element zu verwenden, welches sich hinsichtlich der Achse der Welle 100 radial erstreckt. Dies kann Erfassen der Orientierung selbst in Situationen ermöglichen, wo nicht viel Raum zur Verfügung steht. Allerdings ist es auch möglich, dass ein Element mit einer im Vergleich zu dessen radialer Abmessung beträchtlichen Dicke eingesetzt wird. Wie in dem Szenarium von 1 gezeigt ist, kann eine radiale Abmessung des Magneten in der Größenordnung der radialen Abmessung der Welle 100 sein. Allerdings ist es im Allgemeinen auch möglich, dass die radiale Abmessung vom Magneten 200 beträchtlich kleiner oder größer als die radiale Abmessung der Welle 100 ist. Beispielsweise kann in einem Szenarium eine Magnetpille als der Magnet 200 verwendet werden. Die Magnetpille kann ein im Wesentlichen längliches Element sein, bei dem sich die Magnetpole an entgegengesetzten Enden davon befinden. Länglich kann sich auf ein im Wesentlichen 1d-erstrecktes Element beziehen. Beispielsweise kann die Magnetpille diametral magnetisiert sein.
Wie anhand von 1 ersichtlich ist, ist das Sensorelement 210 an einer axialen Verlängerung der Welle 100 positioniert (wie in 1 durch die gestrichelte Linie angedeutet ist) und ist durch einen Spalt gegenüber dem Magneten 220 versetzt. Insbesondere kann das Sensorelement 210 stationär sein, während sich die Welle 100 dreht, wie in 1 veranschaulicht ist.
Ferner kann die Sensorvorrichtung 200 die elektronische Schaltungsanordnung 230 beinhalten, welche ausgelegt ist zum Erzeugen verschiedener Arten von Ausgabesignalen von dem Orientierungswinkel des Magnetfelds, wie es durch das Sensorelement 210 erfasst wird. Bei manchen Ausführungsformen ist die elektronische Schaltungsanordnung 230 von dem Sensorelement 210 abgesetzt angeordnet und ist dafür ausgelegt, Signalkommunikationen mit dem Sensorelement 210 aufzuweisen. Bei manchen anderen Ausführungsformen ist die elektronische Schaltungsanordnung 230 in einem an dem Sensorelement 210 angebrachten Chip integriert. Das Sensorelement 210 und die elektronische Schaltungsanordnung 230 können auch auf demselben Halbleiterchip oder in demselben Chipgehäuse angeordnet sein. Manche Ausführungsformen von Funktionalitäten der elektronischen Schaltungsanordnung 230 sind ferner durch das Blockdiagramm von 2 veranschaulicht, gemäß manchen Ausführungsformen.
Wie in 2 veranschaulicht, kann die elektronische Schaltungsanordnung 230 einen Pulsmustergenerator 250 und einen Speicher 260 beinhalten. Der Pulsmustergenerator 250 ist ausgelegt zum Erzeugen eines Signals PP, welches ein Pulsmuster beinhaltet. Dies wird in Abhängigkeit von dem erfassten Orientierungswinkel des Magnetfelds, in 2 durch das Signal SENSE repräsentiert, und eine wie in dem Speicher 260 gespeicherte Pulsflankenwinkelabbildung bzw. PE-Winkelabbildung erreicht. Der Speicher 260 kann beispielsweise durch eine geeignete Art eines Halbleiterspeichers umgesetzt werden, wie etwa einem Nurlesespeicher (ROM), einem programmierbaren ROM (PROM), einem löschbaren PROM (EPROM)oder einem Flash-Speicher. Eine Ausführungsform des Speichers 260, die einen PROM, einen EPROM oder einen Flash-Speicher verwendet, kann verwendet werden, um eine Konfiguration oder sogar Neukonfiguration der in dem Speicher 260 gespeicherten Winkelabbildung zu erlauben.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform definiert die in dem Speicher 260 gespeicherte PE-Winkelabbildung, für jeden Puls des Pulsmusters, einen mit einer ansteigenden Flanke des Pulses verknüpften Orientierungswinkel und einen mit einer abfallenden Flanke des Pulses verknüpften Orientierungswinkel. Dementsprechend kann der Pulsmustergenerator 250 durch Vergleichen der erfassten Orientierung mit den Orientierungswinkeln in der Abbildung, und wenn der erfasste Orientierungswinkel einen einer ansteigenden Flanke entsprechenden Orientierungswinkel durchläuft, Umschalten des Werts des Signals PP auf einen Hoch-Wert, oder wenn der erfasste Orientierungswinkel einen einer abfallenden Flanke entsprechenden Orientierungswinkel durchläuft, Umschalten des Werts des Signals PP auf einen Niedrig-Wert, betrieben werden. Auf diese Weise können verschiedene Arten von Pulsmustern erzeugt werden, einschließlich hochgradig asymmetrischer Pulsmuster, in welchen, über den Verlauf einer vollständigen Umdrehung der Welle 100 hinweg, jeder Puls hinsichtlich seines Tastverhältnisses von den anderen Pulsen abweicht.
Wie ferner veranschaulicht, kann die elektronische Schaltungsanordnung 230 auch einen Absolutwinkelsignalgenerator 270 beinhalten, welcher ausgelegt ist zum Erzeugen eines Signals AAS, welches den absoluten Orientierungswinkel der Welle 100 in dem Bereich von 0° bis 360° repräsentiert. Das Signal AAS kann beispielsweise den absoluten Orientierungswinkel der Welle 100 als einen analogen Wert repräsentieren. Ferner kann das Signal AAS den absoluten Orientierungswinkel der Welle 100 als einen digitalen Wert oder als ein pulsweitenmoduliertes Signal codieren. Der Absolutwinkelsignalgenerator 270 kann den absoluten Orientierungswinkel der Welle 100 aus dem Orientierungswinkel des Magnetfelds, wie durch das Sensorelement erfasst, ableiten, beispielsweise durch Hinzuaddieren eines Versatzes, welcher die Montageorientierung des Magneten 220 auf der Welle 100 und/oder jeglichen weiteren Referenzversatz berücksichtigt. Der Absolutwinkelsignalgenerator 270 kann auch eine Signalumwandlung durchführen, beispielsweise von einer analogen Repräsentation des Signals SENSE in eine digitale oder pulsweitenmodulierte Repräsentation des Signals AAS, als nicht beschränkendes Beispiel. Alternativ dazu oder zusätzlich kann der Pulsmustergenerator 250 die Signalumwandlung durchführen.
Bei manchen Ausführungsformen kann der Absolutwinkelsignalgenerator 270 auch ausgelegt sein zum Erzeugen eines oder mehrerer weiterer Signale aus dem durch das Sensorelement 210 erfassten Orientierungswinkel. Beispielsweise kann der Absolutwinkelsignalgenerator 270 ein Signal erzeugen, das die Winkelgeschwindigkeit der Welle 100 repräsentiert, beispielsweise durch Berechnen der zeitlichen Ableitung des Absolutorientierungswinkels der Welle 100. Optional kann eine Drehrichtung codiert werden. Um das mit dem herkömmlichen, mit einem Zahnrad interagierenden Sensorelement erhaltene Ausgabesignal zu emulieren, ist es beispielsweise möglich, dass der Absolutwinkelsignalgenerator 270 das die Winkelgeschwindigkeit der Welle 100 repräsentierende Signal derart ausgibt, dass es eine vordefinierte Anzahl von Perioden pro Umdrehung der Welle aufweist, als ein nicht beschränkendes Beispiel 12 oder 20 Perioden. Ein derartiges Signal kann geeignet sein zum Emulieren des Signals, das mit einem herkömmlichen Absolutwinkelsignalgenerator erhalten wird, der mit einem Zahnrad interagiert, das eine entsprechende Zahnanzahl aufweist.
Wie weiter veranschaulicht ist, kann die elektronische Schaltungsanordnung 230 von 2 einen Modusselektor 280 beinhalten. Der Modusselektor 280 kann zum Auswählen verschiedener Betriebsmodi der elektronischen Schaltungsanordnung 230 verwendet werden. Insbesondere kann der Modusselektor 280 verwendet werden zum Auswählen eines ersten Betriebsmodus, in welchem die elektronische Schaltungsanordnung 230 das Signal PP als ihr Ausgabesignal OUT ausgibt. Des Weiteren kann der Modusselektor 280 verwendet werden zum Auswählen eines zweiten Betriebsmodus, in welchem die Ausgabeschaltungsanordnung das Signal AAS als ihr Ausgabesignal OUT ausgeben kann. Optional kann der Modusselektor 280 verwendet werden zum Auswählen eines dritten Betriebsmodus, in welchem die elektronische Schaltungsanordnung 230 das weitere Signal ausgibt, welches die Drehzahl anzeigt.
Verschiedene durch den Modusselektor 280 verwendete Entscheidungskriterien, um einen bestimmten Betriebsmodus zu selektieren, sind denkbar. Beispielsweise kann der Modusselektor 280 in einer Startphase der Drehung der Welle den zweiten Betriebsmodus selektieren, wodurch nützliche Informationen über den Drehwinkel der Welle 100 beschafft werden, selbst dann, wenn die Welle im Wesentlichen statisch ist, was bedeutet, dass das Signal PP möglicherweise noch nicht die ausreichende Pulsanzahl für eine Beziehung des Drehwinkels aufweist. Nach einer gewissen Umdrehungsanzahl der Welle 100, beispielsweise nach einer vollständigen Umdrehung oder wenn eine Winkelgeschwindigkeit der Welle 100 einen Schwellenwert übersteigt, kann der Modusselektor 280 den ersten Betriebsmodus selektieren, in welchem das Ausgabesignal OUT erzeugt werden kann, um ein Ausgabesignal zu emulieren, wie es typischerweise durch herkömmliche zahnradbasierte Drehsensoren bereitgestellt wird.
Es ist ebenfalls möglich, dass die elektronische Schaltungsanordnung 230 mehrere Signale ausgibt. Beispielsweise kann das Signal AAS ausgegeben werden und das weitere Signal kann in ein und demselben Betriebsmodus ausgegeben werden. Dann kann es möglich sein, sowohl die Orientierung als auch die Drehzahl abzuleiten.
Ein Beispielpulsmuster, wie es in dem Signal PP enthalten ist, ist in 3A veranschaulicht. Von diesem Pulsmuster wird angenommen, dass es ein Ausgabesignal eines Drehsensors 25, der in dem Magnetfeld des Zahnrads 20 angeordnet ist, emuliert, wie schematisch in 3B veranschaulicht ist. In dem veranschaulichten Beispiel besteht das Pulsmuster aus drei Pulsen 11, 12, 13, mit jeweils einem anderen Tastverhältnis. Jeder Puls 11, 12, 13 entspricht einem bestimmten Zahn 21, 22, 23 eines mit dem Drehsensor 25 verwendeten Zahnrads 20. In dem gegebenen Beispiel entspricht der Puls 11 dem Zahn 21 des Zahnrads 20, der Puls 12 entspricht dem Zahn 22 des Zahnrads 20 und der Puls 13 entspricht dem Zahn 23 des Zahnrads 20.
An dem in 3B gezeigten Zahnrad 20 weisen die Zähne 21, 22, 23 jeweils zwei Flanken 21A, 21B, 22A, 22B und 23A, 23B auf, die sich hinsichtlich der Achse in einer im Wesentlichen radialen Richtung erstrecken. Jedes Flankenpaar 21A, 21B, 22A, 22B und 23A, 23B definiert eine Winkelstellung und umfangsmäßige Erstreckung des jeweiligen Zahns 21, 22, 23. Wenn während Drehung des Zahnrads 20 der Drehwinkel α zunimmt, dann passieren die Zähne 21, 22, 23 nacheinander einen Sensor 25. Der Sensor 25 kann ein Hall-Sensor, ein GMR-Sensor, ein TMR-Sensor oder ein AMR-Sensor sein und mindestens die Zähne 21, 22, 23 des Zahnrads 20 können aus einem ferromagnetischen Material ausgebildet sein. Das Pulsmuster eines typischen Ausgabesignals eines solchen Systemaufbaus wird durch das Signal PP simuliert, wie in 3A veranschaulicht ist. In dem veranschaulichten Beispiel weist das Pulsmuster von 3A eine ansteigende Pulsflanke 11A des Pulses 11 zu einer Zeit auf, zu der die Flanke 21A des Zahns 21 den Sensor 25 passieren würde, und weist eine abfallende Pulsflanke 11B zu einer Zeit auf, zu der die Flanke 21B des Zahns 21 den Sensor 25 passieren würde. Gleichermaßen weist das Pulsmuster von 3A eine ansteigende Pulsflanke 12A des Pulses 12 zu einer Zeit auf, zu der die Flanke 22A des Zahns 22 den Sensor 25 passieren würde, und weist eine abfallende Pulsflanke 12B zu einer Zeit auf, zu der die Flanke 22B des Zahns 22 den Sensor 25 passieren würde. Gleichermaßen weist das Pulsmuster von 3A eine ansteigende Pulsflanke 13A des Pulses 13 zu einer Zeit auf, zu der die Flanke 23A des Zahns 23 den Sensor 25 passieren würde, und weist eine abfallende Pulsflanke 13B zu einer Zeit auf, zu der die Flanke 23B des Zahns 23 den Sensor 25 passieren würde.
Die elektronische Schaltungsanordnung 230 der veranschaulichten Ausführungsform kann durch geeignetes Konfigurieren der in dem Speicher 260 gespeicherten PE-Winkelabbildung eine Emulation erreichen. Wenn beispielsweise angenommen wird, dass sich die Flanke 21A des Zahns 21 bei einer Winkelstellung von 0° befindet, kann die PE-Winkelabbildung eine ansteigende Pulsflanke 11A zu dem Orientierungswinkel von 0° zuweisen. Wenn sich gleichermaßen die Flanke 21B des Zahns 21 bei einer Winkelstellung von 90° befindet, kann die PE-Winkelabbildung eine abfallende Pulsflanke 11B zu dem Orientierungswinkel von 90° zuweisen. Für die anderen Zähnen 22, 23 können entsprechende Zuweisungen in Abhängigkeit von der Winkelstellung und der Umfangserstreckung der Zähne 22, 23 vorgenommen werden. Bei einer solchen Zuweisung von ansteigenden und abfallenden Pulsflanken kann auch ein Versatz zwischen dem Orientierungswinkel des Magnetfelds und dem Drehwinkel der Welle 100 berücksichtigt werden. Der Versatz kann sich auf eine Differenz aus dem Orientierungswinkel und dem Drehwinkel beziehen. Der Versatz kann durch einen vordefinierten Referenzwinkel berücksichtigt werden, der für Kalibrierung der PE-Winkelabbildung verwendet wird.
Es versteht sich, dass das Pulsmuster von 3A mit jeder Umdrehung der Welle 100 wiederholt würde. Ferner würden die Pulsweiten und -pausen in dem Pulsmuster gemäß der Drehzahl der Welle 100 variieren. Beispielsweise kann das Verhältnis von Pulsen zu Pausen pro Umdrehung konstant bleiben.
7A und 7B veranschaulichen Blockdiagramme, die einige alternative Ausführungsformen von Funktionalitäten der elektronischen Schaltungsanordnung 230 zeigen, einschließlich eines schwellenbasierten Verfahrens zum Kompensieren von nichtlinearem Pulsweitenverhältnis und mehrdeutigen Signalinformationen um die Minimal- und Maximalpunkte herum. Wie in den Figuren veranschaulicht ist, erfasst das Sensorelement 210 die Drehung eines Ziels (beispielsweise der Welle 100 in 1) und erzeugt eine erste Erfassungssignalkomponente X und eine zweite Erfassungssignalkomponente Y, wie durch die Blöcke 702 gezeigt ist. Die erste Erfassungssignalkomponente X und die zweite Erfassungssignalkomponente Y werden dann für Drehwinkelextraktion vorbereitet, einschließlich analoger Korrektur- und Optimierungsfunktionen, vor dem Umwandeln in digitale Signale, und digitaler Korrektur- und Optimierungsfunktionen nach Umwandeln in digitale Signale. Die Korrektur- und Optimierungsfunktionen können unter anderem Filtern, Selbstkalibrierung und Temperaturkompensation, welche entweder in der analogen Domäne oder in der digitalen Domäne verarbeitet werden können, beinhalten. Beispielsweise können die erste Erfassungssignalkomponente X und die zweite Erfassungssignalkomponente Y jeweils analogen Korrekturblöcken 703 zum Filtern und Selbstkalibrieren zugeführt werden, dann A/D-Umwandlungsblöcken 704 zugeführt werden und dann digitalen Korrekturblöcken 706 zur Temperaturkompensation zugeführt werden. Es versteht sich, dass die Abfolge und Selektion jener Korrektur- und Optimierungsfunktionen nicht auf die obigen Beispiele beschränkt sind. Stattdessen kann jegliche anwendbare Abfolge und Selektion von Korrektur- und Optimierungsfunktionen für diese Anwendung offen sein. Es versteht sich ebenso, dass, ob die erste Erfassungssignalkomponente X und die zweite Erfassungssignalkomponente Y parallel (z. B. Verarbeiten von X und Y durch separate Blöcke, wie in 7A gezeigt), nacheinander (z. B. Verarbeiten von X und Y eine nach der anderen über einen gemeinsamen Funktionsblock, wie in 7B gezeigt) oder in Kombination (z. B. sind einige der Funktionsblöcke geteilt, wohingegen andere getrennt sind) verarbeitet werden sollen, in Abhängigkeit von den Anwendungen variieren kann. Gleichermaßen ist das mit den untigen 9A-B und 11A-B verknüpfte Korrektur- und Optimierungsverarbeiten der ersten Erfassungssignalkomponente X und der zweiten Erfassungssignalkomponente Y in den entsprechenden Figuren als nicht beschränkende Beispiele gezeigt, wobei allerdings andere den oben erörterten ähnliche alternative Ausführungsformen offen sind.
Als ein in 8 gezeigtes Beispiel kann das Ergebnis eine (normierte) Sinuskurve Vx(cosα) 802 und eine Kosinuskurve Vy(sinα) 804 einer Spannungsamplitude sein. Das erzeugte Erfassungssignal entspricht einem Orientierungswinkel des Magnetfelds in dem Bereich zwischen 0° und 360°. Der Winkel α ist ein Drehwinkel des Magnetfelds, d. h. ein Drehwinkel des zu erfassenden Ziels. Wie in 8 gezeigt ist, wird eine Winkelstellung aus einer der Signalkomponenten (z. B. die zweite Erfassungssignalkomponente Vy(sinα)) 804 durch einen Signalumwandlungsalgorithmusblock 708 extrahiert. Beispielsweise wird für jedes Viertel des sinusförmigen Signals ein Puls oder eine Pulsfolge 806 erzeugt. Die sinusförmige Basisfunktion bewirkt ein nichtlineares Pulsweitenverhältnis des erzeugten Pulses. Kompensierte Schwellenwerte werden entweder in einer Nachschlagetabelle oder einem schwellenbasierten Algorithmus gespeichert, um korrigierte Amplitudenwerte zu erzeugen, um eine linearisierte Pulsweite zu erreichen und korrekte Phasenwerte zu extrahieren. Die Nachschlagetabelle kann in einem in der elektronischen Schaltungsanordnung 230 integrierten Speicher gespeichert sein, wie etwa einem Nurlesespeicher (ROM), einem programmierbaren ROM (PROM), einem löschbaren PROM (EPROM) oder einem Flash-Speicher. Eine Ausführungsform des Speichers, die einen PROM, einen EPROM oder einen Flash-Speicher verwendet, kann verwendet werden, um eine Konfiguration oder sogar Neukonfiguration der in dem Speicher gespeicherten Nachschlagtabelle zu erlauben. Die Erfinder räumen ein, dass die Drehzahlinformationen nicht gerade dicht an dem Minimal- und Maximalpunkt des Signals liegen. Um dieses Problem zu lösen, wird die andere Signalkomponente (z. B. die erste Erfassungssignalkomponente Vx(cosα)) 802, welche relativ zur obigen Signalkomponente um 90° phasenverschoben ist, zu der Signalinterpretation addiert. Dies liefert korrekte Drehzahlinformationen für eine volle Umdrehung. Anhand der verfügbaren Sinus- und Kosinusdaten kann ein einfacher schwellenbasierter Algorithmus angewandt werden, um unzweideutige Winkelinformationen zu liefern.
Die Winkelinformationen können verwendet werden zum Erzeugen von Drehzahlpulssignalen (wie durch ein Erzeugen von Drehzahlpulsen-Block 710 in 7A,B gezeigt ist), Absolutwinkelinformationen, Richtungsinformationen und/oder Beschleunigungsinformationen(in 7A,B nicht gezeigt). Beispielsweise kann bei manchen Ausführungsformen ein den Absolutwinkel des zu erfassenden Ziels anzeigender absoluter Orientierungswinkel aus dem Orientierungswinkel des wie durch das Sensorelement erfassten Magnetfelds durch Addieren eines vorbestimmten Referenzversatzes abgeleitet werden. Der absolute Orientierungswinkel kann als ein analoger Wert erzeugt werden oder kann als ein digitaler Wert oder ein pulsweitenmoduliertes Signal codiert werden.
Das schwellenbasierte Verfahren liefert Flexibilität zum Extrahieren verschiedener Genauigkeitsniveaus. Beispielsweise kann die Genauigkeit der Drehzahlerfassung durch Auswählen großer Quantisierungsstufen während Hochdrehzahlbetriebs und kleiner Quantisierungsstufen bei niedrigen Drehzahlen dynamisch gesteuert werden. Die linearisierten Nachschlagtabellenwerte liefern äquidistante Drehzahlpulssignale.
9A und 9B stellen Blockdiagramme dar, die einige alternative Ausführungsformen von Funktionalitäten der elektronischen Schaltungsanordnung 230 zeigen, einschließlich eines CORDIC-basierten Verfahrens zum Berechnen einer korrekten Winkelstellung unter Verwendung einer arctan-Funktionalität.
Wie in 9A und 9B veranschaulicht ist, erfasst das Sensorelement 210 die Drehung eines Ziels (beispielsweise der Welle 100 in 1) und erzeugt eine erste Erfassungssignalkomponente X und eine zweite Erfassungssignalkomponente Y, wie durch die Blöcke 702 gezeigt ist. Die erste Erfassungssignalkomponente X und die zweite Erfassungssignalkomponente Y werden A/D-Umwandlungsblöcken 704 und nachfolgend Temperaturkompensations-, Filter- und/oder Selbstkalibrierungsblöcken 706 zugeführt. Die erste Erfassungssignalkomponente X und die zweite Erfassungssignalkomponente Y werden dann zum Extrahieren eines Winkelinformationssignals einem CORDIC-Block 902 zugeführt. Das Winkelinformationssignal kann dann weiteren Verarbeitungsblöcken, wie etwa einem Erzeugen von Drehzahlpulsen-Block 710, zum Erzeugen von Drehzahlpulssignalen sowie Absolutwinkelinformationen, Richtungsinformationen und/oder Beschleunigungsinformationen zugeführt werden. Die erste Erfassungssignalkomponente X und die zweite Erfassungssignalkomponente Y können Sinus- und Kosinuskurven Vx(cosα) und Vy(sinα) sein, welche eine 90°-Phasenverschiebung einer Spannungsamplitude gegenüber einem Drehwinkel α aufweisen, in 10 als Beispiel gezeigt.
Wie in 10 gezeigt ist, veranschaulicht ein Graph 120 von dem Sensorelement 210 bereitgestellte „ideale“ Ausgangssignale Vx(COS) 122 und Vy(SIN) 124, wenn sich das zu erfassende Ziel (z. B. die in 1 gezeigte Welle 100) von 0 auf 360 Grad dreht, wie bei 128 durch einen Winkel α angezeigt ist. Wie durch den Graphen bei 130 veranschaulicht ist, repräsentieren die Ausgangssignale Vx(COS) 122 und Vy(SIN) 124 jeweils X- und Y-Komponenten eines Vektors 132, der eine Winkelstellung des zu erfassenden Ziels anzeigt. Ein Volder-Algorithmus, auch als CORDIC-Algorithmus (coordinate rotation digital computer - Koordinatendrehungsdigitalcomputer) bekannt, wird durch den CORDIC-Block 902 verwendet zum Berechnen und Erzeugen des Winkelinformationssignals, das die Winkelstellung des zu erfassenden Ziels anzeigt.
Das CORDIC-basierte Verfahren kann effektiv auf ASIC-Ebene implementiert werden und liefert eine robustere und genauere Winkel- und/oder Drehzahlerfassung. Eine Art von dynamischer Genauigkeitssteuerung kann auch unter Verwendung des CORDICbasierenden Verfahrens vorgesehen werden: für Hochdrehzahlbetrieb werden nur grobe Winkelinformationen bereitgestellt, wohingegen bei geringeren Drehzahlen mehr Daten übertragen werden, um die Winkelinformationen mit höherer Auflösung zu erreichen.
11A und 11B stellen Blockdiagramme dar, die einige alternative Ausführungsformen von Funktionalitäten der elektronischen Schaltungsanordnung 230 zeigen, einschließlich eines hochentwickelten dynamischen Steuerungsverfahrens zum Berechnen einer korrekten Winkelstellung mit einer Kombination einer schwellenbasierten Funktionalität und einer CORDIC-Funktionalität. Beispielsweise wird bei einem höheren Drehzahlbereich eine einfache Nachschlagtabellendetektion verwendet, um die Verarbeitung zu vereinfachen und die Geschwindigkeit zu erhöhen, wohingegen bei einem niedrigeren Drehzahlbereich eine CORDIC-Operation verwendet wird, um die hohe Winkelgenauigkeit zu erreichen.
Die elektronische Schaltungsanordnung 230 kann eine dynamische Steuerung beinhalten. Die dynamische Steuerung kann unter anderen Kriterien verwendet werden zum Auswählen verschiedener Verarbeitungsverfahren, in Abhängigkeit von einer Winkeländerungsrate, einer Drehzahl des zu erfassenden Ziels oder einer Sicherheitsfunktion. Die dynamische Steuerung kann in einem ersten Modus arbeiten und das Erfassungssignal unter Verwendung des oben in 9A, 9B und 10 offenbarten CORDIC-basierten Verfahrens verarbeiten, wenn ein voreingestelltes Kriterium erfüllt wird, und wird auf einen zweiten Modus und Verarbeiten des Erfassungssignals unter Verwendung des oben in 7 und 8 offenbarten schwellenbasierten Verfahrens umgeschaltet, wenn das voreingestellte Kriterium nicht erfüllt wird. Beispielsweise kann die dynamische Steuerung das Erfassungssignal unter Verwendung des CORDIC-basierten Verfahrens verarbeiten, wenn die erfasste Drehzahl kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, so dass ein höheres Auflösungsergebnis erreicht wird, und wird auf Verarbeiten des Erfassungssignals unter Verwendung des schwellenbasierten Verfahrens umgeschaltet, wenn die erfasste Drehzahl größer als der vorbestimmte Schwellenwert ist, so dass eine niedrigere Latenzzeit erreicht wird. Als weiteres Beispiel kann die dynamische Steuerung das Erfassungssignal unter Verwendung des schwellenbasierten Verfahrens verarbeiten, wenn die Sicherheitsfunktion gemessene Drehwinkel bei einer höheren Erfassungsrate verlangt. Die dynamische Steuerung kann das Erfassungssignal auch unter Verwendung des CORDIC-basierten Verfahrens verarbeiten, wenn die Sicherheitsfunktion gemessene Drehwinkel bei einer höheren Auflösung verlangt.
Bei alternativen Ausführungsformen können das schwellenbasierte Verfahren und das CORDIC-basierte Verfahren gleichzeitig angewandt werden, um Drehwinkel zu messen. Ein erster Drehwinkel und ein zweiter Drehwinkel, welche im Wesentlichen zur gleichen Zeit unter Verwendung des schwellenbasierten Verfahrens und des CORDIC-basierten Verfahrens gemessen werden können, können für eine Plausibilitätssicherheitsprüfung verglichen werden: falls beispielsweise eine Differenz zwischen dem ersten Drehwinkel und dem zweiten Drehwinkel innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, kann die Messung als zuverlässig betrachtet werden. Ansonsten kann ein Fehler markiert werden, falls die Differenz zwischen dem ersten Drehwinkel und dem zweiten Drehwinkel außerhalb eines vorbestimmten Bereichs fällt. Bei einigen alternativen Ausführungsformen kann das schwellenbasierte Verfahren oder das CORDIC-basierte Verfahren für die Plausibilitätssicherheitsprüfung verwendet werden. Bei diesen alternativen Ausführungsformen kann der gemessene Drehwinkel mit einem zusätzlichen Drehwinkel verglichen werden, welcher im Wesentlichen zur gleichen Zeit gemessen wird, welcher aber an einer anderen Messquelle gemessen wird. Der gemessene Drehwinkel kann dann mit dem zusätzlichen Drehwinkel verglichen werden, um ein Vergleichsergebnis zu ergeben, welches dann ausgewertet werden kann, um die Zuverlässigkeit des gemessenen Drehwinkels zu bestimmen. Bei manchen Ausführungsformen werden die im Wesentlichen zur gleichen Zeit unter Verwendung des schwellenbasierten Verfahrens, des CORDIC-basierten Verfahrens und/oder anderer Messquellen gemessenen Drehwinkel verarbeitet, um einen angepassten Drehwinkel zum weiteren Verarbeiten zu erzeugen. Der angepasste Drehwinkel wird ohne die Zuverlässigkeitsprüfung oder nach der Zuverlässigkeitsprüfung der gemessenen Drehwinkel erzeugt. Der angepasste Drehwinkel kann durch Mitteln der gemessenen Drehwinkel berechnet werden. Der angepasste Drehwinkel kann auch durch selektives Weglassen einiger der gemessenen Drehwinkel (z. B. Weglassen gemessener Drehwinkel, die aus einem vorbestimmten Bereich herausfallen) und Mitteln der verbliebenen der gemessenen Drehwinkel berechnet werden. Die Mittelungsberechnung kann entweder gleichmäßig oder durch Zuweisen verschiedener Gewichte zu den gemessenen Drehwinkeln durchgeführt werden. Die elektronische Schaltungsanordnung 230 kann auch einen Modusselektor zum Auswählen verschiedener Betriebsmodi beinhalten, wie etwa Ausgeben von Drehzahlpulssignalen, Absolutwinkelinformationen und/oder Beschleunigungsinformationen.
Das hochentwickelte dynamische Steuerungsverfahren kombiniert die oben offenbarten Merkmale des schwellenbasierten Verfahrens und des CORDIC-basierten Verfahrens und fügt zusätzlich die Flexibilität hinzu, zwischen beiden dieser Verfahren umzuschalten. Wie oben gleichermaßen beschrieben wurde, erfasst ein Sensorelement 210 die Drehung eines Ziels (beispielsweise der Welle 100 in 1) und erzeugt eine erste Erfassungssignalkomponente X und eine zweite Erfassungssignalkomponente Y, wie durch die Blöcke 702 gezeigt ist. Die erste Erfassungssignalkomponente X und die zweite Erfassungssignalkomponente Y werden A/D-Umwandlungsblöcken 704 und nachfolgend Temperaturkompensations-, Filter- und/oder Selbstkalibrierungsblöcken 706 zugeführt. Während Niederdrehzahlbetriebs werden dann die erste Erfassungssignalkomponente X und die zweite Erfassungssignalkomponente Y einem CORDIC-Block 902 zugeführt, um ein Winkelinformationssignal zu extrahieren, so dass die höhere erreichbare Auflösung der CORDIC-Implementation verwendet werden kann. Wohingegen bei höheren Drehzahlen die erste Erfassungssignalkomponente X und die zweite Erfassungssignalkomponente Y einem Signalumwandlungsalgorithmus-Block 708 zugeführt wird, um ein Winkelinformationssignal zu extrahieren, so dass die geringere Latenzantwort eines simplen und schnellen schwellenbasierten Algorithmus ein Vorteil ist. Die Entscheidung darüber, welcher Signalpfad verwendet wird, wird durch einen am äußersten Ende von 11 gezeigten Drehzahlabhängiges-Protokoll-Block 1102 gehandhabt. Zusätzlich kann dieses Chipkonzept zusätzliche Redundanz für Anforderungen funktionaler Sicherheit bereitstellen. Während beispielsweise die hochgenauen CORDIC-Winkelinformationen verwendet werden, kann der weniger genaue schwellenbasierte Signalpfad für Plausibilitätsprüfungen verwendet werden.
In 4 ist ein Getriebe 400 in der Form eines Schaltgetriebes gezeigt. Eine Eingangswelle 401 wird von einem Verbrennungsmotor eines (in 4 nicht gezeigten) Fahrzeugs angetrieben. Ein Getriebeausgangsrad 420 ist gezeigt. Es gibt drei Wellen 100-1, 100-2, 100-3 des Getriebes 400. Jede der drei Wellen 100-1, 100-2, 100-3 ist mit einem Magneten 220 an einer von deren Endflächen ausgestattet. Ein Gehäuse 410 beherbergt die Wellen 100-1, 100-2, 100-3 auf drehbare Weise. Zumindest Teile der Welle drehen sich innerhalb des Gehäuses. Mit anderen Worten dreht sich das Gehäuse 410 nicht mit den Wellen 100-1, 100-2, 100-3 mit, es schließt lediglich einen Endteil der Wellen 100-1, 100-2, 100-3 ein. Ein jeweiliges Lager mag möglicherweise vorgesehen sein. Die mit den drei jeweiligen Magneten 220 verknüpften Magnetsensorelemente 210 sind an dem Gehäuse 410 angebracht. Obgleich 4 den Magneten 220 als an einer Endfläche von jeder der Wellen 100-1, 100-2, 100-3 zeigt, kann der Magnet ohne Beschränkung an nur einer der Wellen vorgesehen sein. Insbesondere sind die Sensorelemente 210 an einer axialen Verlängerung der jeweiligen Welle 100-1, 100-2, 100-3 (durch die gestrichelten Linien in 4 veranschaulicht) durch einen Spalt mit Bezug auf den Magneten 220 versetzt positioniert. Es ist möglich, dass die Sensorelemente 210 gegenüber der axialen Verlängerung der jeweiligen Welle 100-1, 100-2, 100-3 verschoben sind. Durch wie oben erwähnte Techniken ist es möglich, die Orientierung und/oder die Drehzahl der Wellen 100-1, 100-2, 100-3 zu bestimmen.
In 5 ist ein System 500, umfassend eine Welle 100 einer Radachse gezeigt. Eine Endfläche der Welle 100 ist mit dem Magneten 220 versehen. Die Endfläche der Welle 100 liegt einem Radlager 502 der Radachse gegenüber. Die Welle 100 ist drehbar mit einem Achsträger 501 zwischen der Endfläche und dem Radlager 502 verbunden. Ferner ist in 5 das Sensorelement 210, welches an einer axialen Verlängerung der Welle 100 positioniert und durch einen Spalt gegenüber dem Magneten 200 versetzt ist, gezeigt. Das Sensorelement 210 dreht nicht mit der Welle 100 mit. Durch wie oben erwähnte Techniken ist es möglich, die Orientierung und/oder die Drehzahl der Welle 100 zu bestimmen.
Wenden wir uns 6 zu, wo eine bürstenlose Gleichstrommotoreinheit oder -baugruppe 600 gezeigt ist. Ein Motor 601 der Baugruppe kann an der Welle 100 angebracht sein. An der Endfläche der Welle ist der Magnet 220 positioniert. An einer axialen Verlängerung der Welle 100 und durch einen Spalt versetzt ist das Sensorelement 210 positioniert. Durch wie oben erwähnte Techniken ist es möglich, die Orientierung und/oder die Drehzahl der Welle 100 zu bestimmen.
Eine (in 6 nicht gezeigte) Steuerung der bürstenlosen Gleichstrommotor-Baugruppe 600 kann eine Phase von elektrischen Wicklungen kontinuierlich schalten, um den Motor 601 in Drehung zu halten. Das Schalten kann als Reaktion auf die Orientierung der Welle 100 erfolgen. Durch Bestimmen des Orientierungswinkels des Magnetfelds in dem Bereich von zwischen 0° und 360° unter Einsatz des Sensorelements 210 wird es möglich, den Orientierungswinkel der Welle 100 zu bestimmen. Dies ermöglicht genaue Steuerung des bürstenlosen Gleichstrommotors 601.
Anhand des obigen sieht man, dass die Techniken Komplexität, Raumaufwand und Kosten beim Erfassen der Orientierung der Wellen 100, 100-1, 100-2, 100-3 verringern können. Signifikant weniger Raum als in herkömmlichen Getrieben kann in dem Szenarium von 4 mit den Magneten 220 an einer oder mehreren der Endflächen der Wellen 100-1 - 100-3 des Getriebes 400 platziert erforderlich sein. Insbesondere wenn Zahnräder eingesetzt werden, kann es nötig sein, zusätzlichen Raum auf den Wellen 100-1 - 100-3 zu belegen, um die Letzteren zu montieren. Typischerweise sind die Zahnräder (wie in 3B gezeigt) auf einen Minimaldurchmesser von ungefähr 7 cm beschränkt. Wenn herkömmliche Magnetfeldsensoren in der Nähe von solchen Zahnrädern eingesetzt werden, sind häufig große Sensortürme erforderlich, um die Magnetfeldsensoren dichter an das Zahnrad heranzubringen. Zusatzkosten werden erzeugt und eine Systemkomplexität nimmt typischerweise zu. Ferner gibt es eine konstante Nachfrage zum Verkleinern der Getriebe 400. Wenn ein System, wie das oben erwähnte eingesetzt wird, können sowohl Komplexität als auch erforderlicher Einbauraum verringert werden.
Ferner werden in dem Szenarium von 5, mit dem Magneten 220 an einer Endfläche der Welle 100 der Radachse angebracht, im Vergleich mit herkömmlichen Lösungen signifikant verringerter Einbauraum und Kosten erreicht. Insbesondere ist ein Zahnrad in herkömmlichen Lösungen häufig dicht an dem Radlager 502 angeordnet. Typischerweise beeinträchtigt dies die gesamten Systemabmessungen, wie etwa erhöhten Konstruktionsraum. Folglich werden Komplexität und Kosten weiter erhöht. Der jeweilige Sensor befindet sich in herkömmlichen Systemen dicht an dem Bremssystem, einschließlich der Bremsscheibe, des Bremssattels und der Bremsbacken; dies führt häufig zu einer Hochtemperaturumgebung. Die Genauigkeit des Erfassens der Orientierung kann nachlassen und ein erhöhter Verschleiß der Elektronik kann sich ergeben.
Es versteht sich, dass die oben beschriebenen Konzepte und Ausführungsformen für verschiedene Modifikationen fähig sind. Beispielsweise könnten verschiedene Pulsmuster, die verschiedenen Arten von Zahnradprofilen entsprechen, emuliert werden. Eine solche Emulation kann auch nicht nur auf Emulieren der Winkelstellung und Erstreckung der Zähne ausgedehnt werden, sondern könnte auch weitere Charakteristika der Zahnprofile emulieren, wie etwa eine radiale Abmessung des Zahns oder der Zahnflankensteigung. Ferner könnte der Drehsensor andere Arten von Erfassungsvorrichtungen oder andere Arten von Magneten verwenden, wie etwa komplexere Multipolmagnete.

Claims

Sensorvorrichtung, die Folgendes umfasst: ein magnetfeldempfindliches Element, das in einem Magnetfeld eines Magneten zu positionieren ist, der an einer Endfläche einer Welle positioniert ist, wobei das magnetfeldempfindliche Element zum Erfassen eines Orientierungswinkels des Magnetfelds in einem Bereich von 0° bis 360° und zum Erzeugen eines Erfassungssignals, umfassend eine erste Erfassungssignalkomponente und eine zweite Erfassungssignalkomponente, welche eine 90°-Phasenverschiebung aufweisen, ausgelegt ist; und eine elektronische Schaltungsanordnung, die zum Empfangen und Verarbeiten des Erfassungssignals von dem magnetfeldempfindlichen Element, um ein Winkelsignal, das den Orientierungswinkel des Magnetfelds anzeigt, zu erzeugen, ausgelegt ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die elektronische Schaltungsanordnung Folgendes umfasst: ein Paar von Analog/Digital-Umwandlungsblöcken, wobei ein erster des Paars der Analog/Digital-Umwandlungsblöcke zum Digitalisieren der ersten Erfassungssignalkomponente ausgelegt ist, und ein zweiter des Paars von Analog/Digital-Umwandlungsblöcken zum Digitalisieren der zweiten Erfassungssignalkomponente ausgelegt ist; Filter- und Selbstkalibrierungsblöcke, die zum Filtern und Kalibrieren der ersten und der zweiten Erfassungssignalkomponente vor oder nach der Digitalisierung ausgelegt sind; einen Speicher, der eine Nachschlagtabelle oder einen schwellenbasierten Algorithmus speichert, einschließlich kompensierter Schwellenwerte zum Erzeugen korrekter Amplitudenwerte, die zu der digitalisierten ersten und zweiten Erfassungssignalkomponente korrelieren, um eine linearisierte Pulsweite zu erreichen und das Winkelsignal mit korrekten Phasenwerten zu extrahieren; und einen Geschwindigkeitspulsgenerator, der zum Empfangen und Verarbeiten des Winkelsignals zum Erzeugen von Pulsen, die eine Winkelgeschwindigkeit der Welle anzeigen, ausgelegt ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die elektronische Schaltungsanordnung Folgendes umfasst: ein Paar von Analog/Digital-Umwandlungsblöcken, die zum Digitalisieren der ersten Erfassungssignalkomponente und der zweiten Erfassungssignalkomponente ausgelegt sind; Filter- und Selbstkalibrierungsblöcke, die zum Filtern und Kalibrieren der digitalisierten ersten und zweiten Erfassungssignalkomponente ausgelegt sind; einen Prozessor, der zum Empfangen der digitalisierten ersten und zweiten Erfassungssignalkomponente und zum Durchführen eines CORDIC-basierten Verfahrens zum Berechnen des Winkelsignals, das den Orientierungswinkel des Magnetfelds anzeigt, ausgelegt ist; und einen Geschwindigkeitspulsgenerator, der zum Empfangen und Verarbeiten des Winkelsignals um Pulse zu erzeugen, die eine Winkelgeschwindigkeit der Welle anzeigen, ausgelegt ist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die elektronische Schaltungsanordnung Folgendes umfasst: eine dynamische Steuerung, die ausgelegt ist zum Betrieb in einem ersten Modus, wenn die Winkelgeschwindigkeit der Welle größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, wobei die dynamische Steuerung, wenn in dem ersten Modus befindlich, konfiguriert ist zum Berechnen des Winkelsignals basierend auf einem Schwellenalgorithmus.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die dynamische Steuerung ausgelegt ist zum Betrieb in einem zweiten Modus und zum Verarbeiten des Erfassungssignals unter Verwendung eines CORDIC-basierten Verfahrens zum Berechnen des Winkelsignals, wenn die Winkelgeschwindigkeit kleiner oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die dynamische Steuerung ausgelegt ist zum Betrieb in einem zweiten Modus und zum Verarbeiten des Erfassungssignals unter Verwendung eines CORDIC-basierten Verfahrens zum Berechnen des Winkelsignals, wenn die Winkelgeschwindigkeit auf einen Wert kleiner oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert abnimmt.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei der schwellenbasierte Algorithmus und das CORDIC-basierte Verfahren gleichzeitig verwendet werden, um ein Paar von Drehwinkeln zu erhalten, welche verglichen werden, um ein Vergleichsergebnis zu ergeben, wobei das Vergleichsergebnis ausgewertet wird, um die Zuverlässigkeit der erhaltenen Drehwinkel zu bestimmen.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, wobei die elektronische Schaltungsanordnung Folgendes umfasst: einen Modusselektor zum Auswählen verschiedener Betriebsmodi, einschließlich Ausgeben eines oder mehrerer Drehzahlpulssignale, von Absolutwinkelinformationen, Richtungsinformationen und Beschleunigungsinformationen basierend auf dem Winkelsignal.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, wobei die elektronische Schaltungsanordnung in einem an dem magnetfeldempfindlichen Element angebrachten Chip integriert ist.
System, das Folgendes umfasst: eine drehbare Welle; einen Magneten, positioniert an einer Endfläche der Welle; ein magnetfeldempfindliches Element, positioniert in einem Magnetfeld des Magneten, wobei das magnetfeldempfindliche Element ausgelegt ist zum Erfassen eines Orientierungswinkels des Magnetfelds in einem Bereich von zwischen 0° und 360° und zum Erzeugen eines Erfassungssignals; und eine elektronische Schaltungsanordnung, ausgelegt zum Empfangen und Verarbeiten des Erfassungssignals von dem magnetfeldempfindlichen Element zum Erzeugen eines Winkelsignals, das den Orientierungswinkel des Magnetfelds anzeigt; wobei die elektronische Schaltungsanordnung ausgelegt ist zum Verarbeiten des Erfassungssignals durch Auswählen verschiedener Verarbeitungsverfahren in Abhängigkeit von einer Winkelgeschwindigkeit der Welle.
System nach Anspruch 10, wobei die elektronische Schaltungsanordnung ausgelegt ist zum Verarbeiten des Erfassungssignals unter Verwendung eines schwellenbasierten Algorithmus, einschließlich kompensierter Schwellenwerte zum Erzeugen korrekter Amplitudenwerte, die mit einer ersten und einer zweiten Erfassungssignalkomponente des Erfassungssignales korrelieren, um das Winkelsignal zu berechnen, wenn die Winkelgeschwindigkeit der Welle eine erste Beziehung mit einem vorbestimmten Schwellenwert aufweist.
System nach Anspruch 11, wobei die elektronische Schaltungsanordnung ausgelegt ist zum Verarbeiten des Erfassungssignals unter Verwendung eines CORDIC-basierten Verfahrens zum Berechnen des Winkelsignals, wenn die Winkelgeschwindigkeit eine zweite andere Beziehung als die erste Beziehung mit dem vorbestimmten Schwellenwert aufweist.
System nach einem der Ansprüche 10-12, wobei die elektronische Schaltungsanordnung ferner ausgelegt ist zum Bestimmen eines ersten Drehwinkels und eines zweiten Drehwinkels unter Verwendung eines schwellenbasierten Verfahrens und eines CORDIC-basierten Verfahrens und zum Markieren eines Fehlers basierend auf einem Vergleich des ersten Drehwinkels und des zweiten Drehwinkels.
System nach einem der Ansprüche 10-13, das ferner Folgendes umfasst: einen Speicher, der ausgelegt ist zum Speichern einer Abbildung von Pulsflanken auf Orientierungswinkel; wobei die elektronische Schaltungsanordnung ausgelegt ist zum Erzeugen eines Signals, umfassend ein Pulsmuster mit ansteigenden und abfallenden Pulsflanken, in Abhängigkeit von dem Erfassungssignal und der gespeicherten Abbildung von Pulsflanken auf Orientierungswinkel.
System nach einem der Ansprüche 10-14, wobei die elektronische Schaltungsanordnung in einem an dem magnetfeldempfindlichen Element angebrachten Chip integriert ist.
Winkelerfassungsverfahren, umfassend: Erzeugen eines Erfassungssignals, wobei das Erfassungssignal eine erste Erfassungssignalkomponente und eine zweite Erfassungssignalkomponente umfasst, welche zueinander eine 90°-Phasenverschiebung aufweisen; Auswählen eines Verarbeitungsverfahrens basierend auf einer Drehwinkelgeschwindigkeit; und Verarbeiten, gemäß dem ausgewählten Verarbeitungsverfahren, des Erfassungssignals zum Erzeugen eines Winkelsignals, das einen Orientierungswinkel des Magnetfelds anzeigt.
Winkelerfassungsverfahren nach Anspruch 16, wobei das erzeugte Erfassungssignal Sinus- und Kosinuskurven von einer Spannungsamplitude umfasst und ein 2n-Rad des erzeugten Erfassungssignals einem Orientierungswinkel des Magnetfelds in einem Bereich von zwischen 0° und 360° entspricht.
Winkelerfassungsverfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Erfassungssignal verarbeitet wird unter Verwendung eines schwellenbasierten Algorithmus, einschließlich kompensierter Schwellenwerte zum Erzeugen korrekter Amplitudenwerte, die mit der ersten und der zweiten Erfassungssignalkomponente korrelieren, um das Winkelsignal zu extrahieren, wenn die Winkelgeschwindigkeit der Welle größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist; wobei das Erfassungssignals unter Verwendung eines CORDIC-basierten Verfahrens zum Berechnen des Winkelsignals verarbeitet wird, wenn die Winkelgeschwindigkeit kleiner oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert ist.
Winkelerfassungsverfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend einen Schritt des Prüfens einer Zuverlässigkeit von gemessenen Winkelsignalen, wobei der Schritt des Prüfens ein erstes gemessenes Winkelsignal verwendet, das unter Verwendung des schwellenbasierten Algorithmus bestimmt wurde, und ein zweites gemessenes Winkelsignal verwendet, das unter Verwendung des CORDIC-basierten Verfahrens bestimmt wurde.
Winkelerfassungsverfahren nach einem der Ansprüche 16-19, ferner umfassend: Verarbeiten des erzeugten Winkelsignals zum Erzeugen eines absoluten Winkelsignals durch Addieren eines vorbestimmten Referenzversatzes zu dem Winkelsignal.