DE102018214296A1

DE102018214296A1 - Frequenzerhöhendes Sensorprotokoll bei magnetischer Erfassung

Info

Publication number: DE102018214296A1
Application number: DE102018214296.3A
Authority: DE
Inventors: Helmut Koeck; Simon Hainz; Dirk Hammerschmidt
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2017-08-25
Filing date: 2018-08-23
Publication date: 2019-02-28
Also published as: US20190064287A1; US11137456B2; US20200319271A1; US10718827B2

Abstract

Magnetfeldsensoren und Erfassungsverfahren sind bereitgestellt. Ein Magnetsensor ist dazu ausgebildet, ein Magnetfeld zu messen, dessen Größe zwischen einem ersten Extremwert und einem zweiten Extremwert oszilliert. Der Magnetsensor umfasst eine Mehrzahl von Magnetfeldsensorelementen, von denen jedes dazu ausgebildet ist, ansprechend auf ein Auftreffen des Magnetfeldes darauf ein Sensorsignal zu erzeugen. Die Mehrzahl von Sensorelementen ist in eine erste Gruppe, aus der ein erstes Messsignal abgeleitet wird, und eine zweite Gruppe, aus der ein zweites Messsignal abgeleitet wird, gruppiert, und das erste Messsignal und das zweite Messsignal weisen eine Phasendifferenz von 90° auf. Der Magnetsensor umfasst ferner eine Sensorschaltung, die dazu ausgebildet ist, das erste Messsignal und das zweite Messsignal zu empfangen und einen Signalumwandlungsalgorithmus darauf anzuwenden, um ein umgewandeltes Messsignal mit einer erhöhten Frequenz in Bezug auf das erste Messsignal und das zweite Messsignal zu erzeugen.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Magnetsensoren und insbesondere auf Magnetsensoren, die dazu ausgebildet sind, eine Frequenz eines Sensorprotokolls zu erhöhen, und auf Verfahren zum Implementieren davon.
Fahrzeuge verfügen heute über zahlreiche Sicherheits-, Karosserie- und Antriebsstranganwendungen, die auf magnetische Positions- und/oder Winkelsensoren angewiesen sind. Beispielsweise können bei der elektrischen Servolenkung (EPS, Electric Power Steering) magnetische Winkelsensoren und lineare Hall-Sensoren verwendet werden, um einen Lenkwinkel und ein Lenkdrehmoment zu messen. Moderne Antriebsstrangsysteme können sich auf magnetische Geschwindigkeitssensoren für Nockenwellen-, Kurbelwellen- und Übertragungsanwendungen sowie auf Drucksensoren für Fahrzeuge verlassen, um geforderte CO₂-Ziele und intelligente Antriebsstranglösungen zu erzielen.
Im Bereich der Geschwindigkeitserfassung kann ein sinusförmiges Signal durch einen Magnetsensor ansprechend auf eine Drehung eines Zielobjekts wie etwa eines Rads, einer Nockenwelle, einer Kurbelwelle oder dergleichen erzeugt werden. Das sinusförmige Signal kann in Pulse übersetzt werden, die weiter in eine Bewegungsdetektion oder eine Geschwindigkeitsausgabe übersetzt werden. Sowohl im Rahmen von Anwendungen bei Antiblockiersystemen (ABS) als auch bei Übertragungsanwendungen gibt es beispielsweise einen Trend, dass für eine erhöhte Genauigkeit mehr Pulse pro Umdrehung benötigt werden. Sowohl bei ABS- als auch Übertragungsanwendungen ist es erwünscht, die Anzahl von Pulsen pro Umdrehung um einen Faktor 2, 4 oder noch höher zu erhöhen.
Im Bereich der Positionserfassung können in ähnlicher Weise sinusförmige Signale dazu verwendet werden, genaue Winkelinformationen zu berechnen, beispielsweise für eine Lenkradpositionserfassung. Für eine Positionserfassung ist ein höherer Auflösungsgrad erwünscht.
Gegenwärtig können höhere Genauigkeitsanforderungen bei Geschwindigkeitserfassungsanwendungen mit einer Erhöhung einer Anzahl von Polen oder Zähnen auf einem Zielobjekt realisiert werden. Die Anzahl der Pole oder Zähne auf einem Zielobjekt hängt jedoch vom Objektdurchmesser ab und im Allgemeinen gibt es eine technische Grenze für die Mindestgröße eines einzelnen Pols oder Zahnes. Zusätzlich dazu gilt, je höher die Anzahl von Polpaaren oder Zähnen/Kerben, desto höher sind auch die Herstellungskosten. Somit bezieht sich die Erhöhung der Anzahl von Polen oder Zähnen auf einen Kompromiss zwischen Kosten und Genauigkeit. Darüber hinaus kann eine Erhöhung der Anzahl von Polen oder Zähnen auch die Bandbreitenanforderungen erhöhen.
Daher kann eine verbesserte Erfassungsvorrichtung ohne die Erhöhung der Anzahl von Polen oder Zähnen eines Erfassungszieles wünschenswert sein.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Magnetsensor und ein Verfahren zum Messen eines Magnetfeldes mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Magnetsensor gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Messen eines Magnetfeldes gemäß Anspruch 11 gelöst.
Magnetfeldsensoren und Erfassungsverfahren sind bereitgestellt.
Ausführungsbeispiele stellen einen Magnetsensor bereit, der dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld zu messen, dessen Größe zwischen einem ersten Extremwert und einem zweiten Extremwert oszilliert. Der Magnetsensor umfasst eine Mehrzahl von Magnetfeldsensorelementen, von denen jedes dazu ausgebildet ist, ansprechend auf ein Auftreffen des Magnetfeldes darauf ein Sensorsignal zu erzeugen. Die Mehrzahl von Sensorelementen ist in eine erste Gruppe, aus der ein erstes Messsignal abgeleitet wird, und eine zweite Gruppe gruppiert, aus der ein zweites Messsignal abgeleitet wird, und das erste Messsignal und das zweite Messsignal weisen eine Phasendifferenz von 90° auf. Der Magnetsensor umfasst ferner eine Sensorschaltung, die dazu ausgebildet ist, das erste Messsignal und das zweite Messsignal zu empfangen und einen Signalumwandlungsalgorithmus darauf anzuwenden, um ein umgewandeltes Messsignal mit einer erhöhten Frequenz in Bezug auf eine Frequenz des ersten Messsignal und des zweiten Messsignals zu erzeugen.
Ausführungsbeispiele stellen ferner ein Verfahren zum Messen eines Magnetfeldes bereit, dessen Größe zwischen einem ersten Extremwert und einem zweiten Extremwert oszilliert. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Erzeugen eines ersten Messsignals, das das gemessene Magnetfeld darstellt; Erzeugen eines zweiten Messsignals, das das gemessene Magnetfeld darstellt, wobei das erste Messsignal und das zweite Messsignal eine Phasendifferenz von 90° aufweisen; und Anwenden eines Signalumwandlungsalgorithmus auf das erste Messsignal und das zweite Messsignal, um ein umgewandeltes Messsignal mit einer erhöhten Frequenz in Bezug auf eine Frequenz des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals zu erzeugen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ist ein Blockdiagramm, das einen magnetischen Geschwindigkeitssensor gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen veranschaulicht;
2A ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer sinusförmigen Wellenform zeigt, die durch einen magnetischen Geschwindigkeitssensor gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen erzeugt wird.
2B ist eine Draufsicht auf ein magnetisches Codiererrad, das bei einer Geschwindigkeitserfassung gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen verwendet wird;
3A ist ein Blockdiagramm, das einen magnetischen Winkelsensor gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen veranschaulicht;
3B ist ein schematisches Diagramm einer X- und einer Y-Sensorbrücke des in 3A veranschaulichten magnetischen Winkelsensors;
4A ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer sinusförmigen Wellenform zeigt, die durch einen magnetischen Winkelsensor gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen erzeugt wird;
4B ist eine Draufsicht auf ein magnetisches Ziel, bei dem eine Winkelerfassung gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen verwendet wird;
5 veranschaulicht sinusförmige Wellenformen eines Geschwindigkeitssignals und eines Richtungssignals für ein Polpaar, die durch einen Geschwindigkeitssensor gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen erzeugt werden;
6 veranschaulicht Absolutwerte der in 5 gezeigten sinusförmigen Wellenformen gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
7 veranschaulicht eine neue Geschwindigkeitssignalwellenform, die aus den in 6 gezeigten Signalen abgeleitet wird, gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
8 veranschaulicht ein normalisiertes Signal der in 7 gezeigten dreieckigen Wellenform gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
9 veranschaulicht normalisierte Geschwindigkeitssignale, die aus den in 7 gezeigten Signalen abgeleitet werden, gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
10 veranschaulicht ein normalisiertes Signal einer in 9 abgeleiteten dreieckigen Wellenform gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
11 veranschaulicht das in 10 gezeigte normalisierte Signal der dreieckigen Wellenform gemeinsam mit dem ursprünglichen Geschwindigkeitssignal und dem ursprünglichen Richtungssignal, die in 5 gezeigten sind, gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
12 veranschaulicht ein in 8 gezeigtes Ausgangssignal gemeinsam mit dem ursprünglichen Geschwindigkeitssignal und dem ursprünglichen Richtungssignal, die in 5 gezeigt sind, gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
13 veranschaulicht Winkelsensorsignalantworten gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
14 veranschaulicht Absolutwerte der in 13 gezeigten sinusförmigen Wellenformen gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
15 veranschaulicht eine aus den in 14 gezeigten Signalen abgeleitete neue Winkelsignalwellenform gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen; und
16 veranschaulicht wie in 13 gezeigte Winkelsensorsignalantworten gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen.

Im Folgenden werden mehrere Details dargelegt, um eine gründlichere Erklärung der beispielhaften Ausführungsbeispiele bereitzustellen. Allerdings wird es für Fachleute offensichtlich sein, dass die Ausführungsbeispiele ohne diese spezifischen Details umgesetzt werden können. In anderen Beispielen werden allgemein bekannte Strukturen und Einrichtungen in Form von Blockdiagrammen oder in einer schematischen Ansicht anstatt im Detail gezeigt, um zu vermeiden, die Ausführungsbeispiele unverständlich zu machen. Zusätzlich können Merkmale der verschiedenen, hier nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.
Des Weiteren werden äquivalente oder gleiche Elemente oder Elemente mit äquivalenter oder gleicher Funktionalität in der folgenden Beschreibung mit äquivalenten oder gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Weil den gleichen oder funktional äquivalenten Elementen in den Figuren die gleichen Bezugszeichen gegeben werden, kann eine wiederholte Beschreibung für Elemente, die mit den gleichen Bezugszeichen bereitgestellt sind, ausgelassen werden. Somit sind Beschreibungen, die für Elemente mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bereitgestellt werden, wechselseitig austauschbar.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, dieses mit dem anderen Element direkt verbunden oder gekoppelt sein kann oder eingreifende Elemente vorhanden sein können. Wenn dagegen ein Element als mit einem anderen Element „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ bezeichnet wird, sind keine eingreifenden Elemente vorhanden. Andere Wörter, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten in einer gleichen Weise interpretiert werden (z. B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „angrenzend“ gegenüber „direkt angrenzend“ usw.).
Bei den hier beschriebenen oder in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispielen kann eine direkte elektrische Verbindung oder Kopplung, d. h. irgendeine Verbindung oder Kopplung ohne zusätzliche eingreifende Elemente, auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung umgesetzt werden, d. h. eine Verbindung oder Kopplung mit einem oder mehreren eingreifenden Elementen, oder umgekehrt, so lange der allgemeine Zweck der Verbindung oder Kopplung, zum Beispiel eine gewisse Art von Signal zu übertragen oder eine gewisse Art von Information zu übertragen, im Wesentlichen erhalten bleibt. Merkmale aus verschiedenen Ausführungsbeispielen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden. Zum Beispiel können Varianten oder Modifikationen, die in Bezug auf eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein, soweit nicht anders angegeben.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Sensoren und Sensorsysteme sowie auf das Erhalten von Informationen über Sensoren und Sensorsysteme. Ein Sensor kann sich auf eine Komponente beziehen, die eine zu messende physikalische Größe in ein elektrisches Signal umwandelt, beispielsweise ein Stromsignal oder ein Spannungssignal. Die physikalische Größe kann beispielsweise ein Magnetfeld, ein elektrisches Feld, einen Druck, eine Kraft, einen Strom oder eine Spannung aufweisen, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Ein Sensorbauelement, wie hierin beschrieben ist, kann ein Winkelsensor, ein linearer Positionssensor, ein Geschwindigkeitssensor, ein Bewegungssensor und dergleichen sein.
Ein Magnetfeldsensor umfasst beispielsweise ein oder mehrere Magnetfeldsensorelemente, die eine oder mehrere Eigenschaften eines Magnetfeldes messen (z. B. eine Größe einer Magnetfeldflussdichte, eine Feldstärke, einen Feldwinkel, eine Feldrichtung, eine Feldausrichtung, usw.). Das Magnetfeld kann durch einen Magneten, einen stromführenden Leiter (z. B. einen Draht), die Erde oder eine andere Magnetfeldquelle erzeugt werden. Jedes Magnetfeldsensorelement ist dazu ausgebildet, ansprechend auf ein Auftreffen eines oder mehrerer Magnetfelder auf das Sensorelement ein Sensorsignal (z. B. ein Spannungssignal) zu erzeugen. Somit gibt ein Sensorsignal also Aufschluss über die Größe und/oder die Ausrichtung des Magnetfeldes, das auf das Sensorelement auftrifft.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „Sensor“ und „Erfassungselement“ in dieser Beschreibung austauschbar verwendet werden können und die Begriffe „Sensorsignal“ und „Messsignal“ in dieser Beschreibung austauschbar verwendet werden können.
Magnetsensoren umfassen beispielsweise magnetoresistive Sensoren und Hall-Effekt-Sensoren (Hall-Sensoren). Der Magnetwiderstand ist eine Eigenschaft eines Materials, den Wert seines elektrischen Widerstandes zu ändern, wenn ein externes Magnetfeld an dasselbe angelegt wird. Einige Beispiele für magnetoresistive Effekte sind der Riesenmagnetowiderstand (GMR, Giant Magneto-Resistance), der ein quantenmechanischer Magnetwiderstandseffekt ist, der in Dünnfilmstrukturen zu beobachten ist, die aus abwechselnd ferromagnetischen und nicht magnetischen leitfähigen Schichten bestehen, der magnetische Tunnelwiderstand (TMR, Tunnel Magneto-Resistance), der ein magnetoresistiver Effekt ist, der in einem magnetischen Tunnelübergang (MTJ, Magnetic Tunnel Junction) auftritt, was eine Komponente ist, die aus zwei durch einen dünnen Isolator getrennte Ferromagneten besteht, oder der anistrope Magnetowiderstand (AMR, Anistropic Magneto-Resistance), der eine Eigenschaft eines Materials ist, in dem eine Abhängigkeit eines elektrischen Widerstandes von dem Winkel zwischen der Richtung eines elektrischen Stromes und einer Richtung einer Magnetisierung zu beobachten ist. Beispielsweise ändert sich in dem Fall von AMR-Sensoren ein Widerstand für ein AMR-Sensorelement gemäß einem Sinusquadrat eines Winkels der Magnetfeldkomponente, die auf eine Erfassungsachse des AMR-Sensorelementes projiziert wird.
Die Mehrzahl unterschiedlicher magnetoresistiver Effekte wird allgemein als xMR abgekürzt, wobei das „x“ als Platzhalter für die unterschiedlichen magnetoresistiven Effekte dient. xMR-Sensoren können die Ausrichtung eines angelegten Magnetfeldes durch Messen von Sinus- und Kosinus-Winkelkomponenten mit monolithisch integrierten magnetoresistiven Sensorelementen detektieren.
Magnetoresistive Sensorelemente solcher xMR-Sensoren umfassen typischerweise eine Mehrzahl von Schichten, von denen zumindest eine Schicht eine Referenzschicht mit einer Referenzmagnetisierung ist (d. h. eine Referenzrichtung). Die Referenzmagnetisierung stellt eine Erfassungsrichtung bereit, die einer Erfassungsachse des xMR-Sensors entspricht. Zeigt eine Magnetfeldkomponente genau in die gleiche Richtung wie die Referenzrichtung, ist demgemäß ein Widerstand des xMR-Sensorelementes maximal, und zeigt eine Magnetfeldkomponente genau in die entgegengesetzte Richtung wie die Referenzrichtung, ist der Widerstand des xMR-Sensorelementes minimal.
Bei einigen Anwendungen umfasst ein xMR-Sensor eine Mehrzahl von magnetoresistiven Sensorelementen, die unterschiedliche Referenzmagnetisierungen aufweisen. Beispiele solcher Anwendungen, in denen zahlreiche Referenzmagnetisierungen verwendet werden, sind Winkelsensoren, Kompasssensoren oder spezifische Arten von Geschwindigkeitssensoren (z. B. Geschwindigkeitssensoren in einer Brückenanordnung, die als Monozellen bezeichnet werden).
Beispielsweise werden solche magnetoresistiven Sensorelemente in Geschwindigkeits-, Winkel- oder Drehgeschwindigkeitsmessvorrichtungen verwendet, in denen Magnete relativ zu einem magnetoresistiven Sensorelement bewegt werden und sich somit das Magnetfeld an der Position des magnetoresistiven Sensorelementes im Falle einer Bewegung ändert, was wiederum zu einer messbaren Widerstandesänderung führt. Für die Zwecke eines Winkelsensors kann ein Magnet oder eine Magnetanordnung auf einer drehbaren Welle angebracht sein und ein xMR-Sensor kann in Bezug darauf stationär angeordnet sein.
Ein Hall-Effekt-Sensor ist ein Wandler, der seine Ausgangsspannung (Hall-Spannung) ansprechend auf ein Magnetfeld verändert. Er basiert auf dem Hall-Effekt, der die Lorentz-Kraft nutzt. Die Lorentz-Kraft lenkt bewegliche Ladungen in Gegenwart eines Magnetfeldes ab, das senkrecht zum Stromfluss durch den Sensor oder durch eine Hall-Platte ist. Dabei kann eine Hall-Platte ein dünnes Stück Halbleiter oder Metall sein. Die Ablenkung bewirkt eine Ladungstrennung, die ein elektrisches Hall-Feld bewirkt. Dieses elektrische Feld wirkt auf die Ladung in Bezug auf die Lorentz-Kraft in der entgegensetzten Richtung. Beide Kräfte gleichen sich aus und erzeugen eine Potenzialdifferenz senkrecht zu der Richtung des Stromflusses. Die Potenzialdifferenz kann als Hall-Spannung gemessen werden und verändert sich für kleine Werte in linearer Beziehung mit dem Magnetfeld. Hall-Effekt-Sensoren können für Näherungsumschaltungs-, Positionierungs-, Geschwindigkeitsdetektions- und Stromerfassungsanwendungen verwendet werden.
Bei einigen Beispielen können Hall-Sensorelemente als vertikale Hall-Sensorelemente implementiert werden. Ein vertikaler Hall-Sensor ist ein Magnetfeldsensor, der empfindlich auf eine Magnetfeldkomponente reagiert, die sich parallel zu deren Oberfläche erstreckt. Das heißt, dieselben reagieren empfindlich auf Magnetfelder, die parallel zu der, oder in der gleichen Ebene wie die, IS-Oberfläche sind. Die Empfindlichkeitsebene kann hierin als „Empfindlichkeitsachse“ oder „Erfassungsachse“ bezeichnet werden und jede Erfassungsachse weist eine Referenzrichtung auf. Für Hall-Sensorelemente ändern sich die von den Sensorelementen ausgegebenen Spannungswerte gemäß der Magnetfeldstärke in der Richtung der Erfassungsachse.
Bei anderen Beispielen können Hall-Sensorelemente als laterale Hall-Sensorelemente implementiert werden. Ein lateraler Hall-Sensor reagiert empfindlich auf eine Magnetfeldkomponente senkrecht zu ihrer Oberfläche. Das heißt, dieselben reagieren empfindlich auf Magnetfelder, vertikal zu, oder außerhalb der Ebene zu, der Integrierte-Schaltung(IC)-Oberfläche sind. Die Empfindlichkeitsebene kann hierin als „Empfindlichkeitsachse“ oder „Erfassungsachse“ bezeichnet werden und jede Erfassungsachse weist eine Referenzrichtung auf. Für Hall-Sensorelemente ändern sich von den Sensorelementen ausgegebene Spannungswerte gemäß der Magnetfeldstärke in der Richtung der Erfassungsachse.
Gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen können ein Magnetfeldsensor und eine Sensorschaltung beide in demselben Chip-Package (z. B. ein Kunststoff-gekapseltes Package, wie etwa ein Package mit Anschlüssen oder ein Package ohne Anschlüsse, oder ein Oberflächenmontiertes-Bauelement(SMD, Surface Mounted Device)-Package) aufgenommen (d. h. integriert) sein. Dieses Chip-Package kann auch als Sensor-Package bezeichnet werden. Das Sensor-Package kann mit einem Back-Bias-Magneten kombiniert werden, um ein Sensormodul, ein Sensorbauelement oder dergleichen zu bilden.
Die Sensorschaltung kann als Signalverarbeitungsschaltung und/oder Signalkonditionierungsschaltung bezeichnet werden, die ein oder mehrere Signale (d. h. Sensorsignale) von einem oder mehreren Magnetfeldsensorelementen in der Form von Rohmessdaten empfängt und aus dem Sensorsignal ein Messsignal ableitet, das das Magnetfeld darstellt. Wie hierin verwendet, bezieht sich Signalkonditionierung auf eine Manipulation eines analogen Signals derart, dass das Signal die Anforderungen einer nächsten Stufe zum weiteren Verarbeiten erfüllt. Signalkonditionierung kann Umwandelung von analog zu digital (z. B. über einen Analog-Digital-Wandler), Verstärkung, Filterung, Umwandlung, Vorspannung, Bereichsanpassung, Isolation und jegliche anderen Prozesse umfassen, die erforderlich sind, um einen Sensorausgang für die Verarbeitung nach der Konditionierung geeignet zu machen.
Somit kann die Sensorschaltung einen Analog-Digital-Wandler (ADC, Analog-to-Digital Converter) umfassen, der das analoge Signal von dem einen oder den mehreren Sensorelementen in ein digitales Signal umwandelt. Die Sensorschaltung kann außerdem einen Digitalsignalprozessor (DSP) umfassen, der eine Verarbeitung an dem digitalen Signal ausführt, die im Folgenden beschrieben wird. Daher kann das Sensor-Package eine Schaltung umfassen, die das kleine Signal des Magnetfeldsensorelementes mittels Signalverarbeitung und/oder -konditionierung konditioniert und verstärkt.
Wie hierin verwendet, kann sich ein Sensorbauelement auf ein Bauelement beziehen, das einen Sensor und eine Sensorschaltung umfasst, wie oben beschrieben ist. Ein Sensorbauelement kann auf einem einzelnen Halbleiterchip (z. B. Siliziumhalbleiterchip) integriert sein, obwohl bei anderen Ausführungsbeispielen eine Mehrzahl von Halbleiterchips zum Implementieren eines Sensorbauelementes verwendet werden kann. Somit sind der Sensor und die Sensorschaltung entweder auf demselben Halbleiterbauelement oder auf mehreren Halbleiterbauelementen in demselben Package angeordnet. Beispielsweise kann sich der Sensor auf einem Halbleiterchip befinden und die Sensorschaltung auf einem anderen Halbleiterchip, derart, dass dieselben in dem Package elektrisch verbunden sind. In diesem Fall können die Halbleiterchips aus demselben oder aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien bestehen, z. B. GaAs und Si, oder der Sensor kann auf ein Keramik- oder Glasplättchen gesputtert (zerstäubt) werden, das kein Halbleiter ist.
1 ist ein Blockdiagramm, das einen magnetischen Geschwindigkeitssensor 100 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen veranschaulicht. Der magnetische Geschwindigkeitssensor 100 umfasst Sensorelemente L, C und R, die dazu ausgebildet sind, ansprechend auf ein Auftreffen eines Magnetfeldes darauf ein Sensorsignal zu erzeugen. Die Sensorelemente L, C und R sind dazu ausgebildet, eine gleiche Feldkomponente (z. B. eine x-Komponente, eine y-Komponente oder eine z-Komponente) eines Magnetfeldes gemäß ihren Erfassungsachsen zu messen. Die Sensorelemente L, C und R können derart angeordnet sein, dass das Sensorelement L und das Sensorelement R beispielsweise durch eine Distanz, die beispielsweise einem halben Abstand der Pole oder Zähne eines Zielobjekts gleicht (z. B. ein magnetisches Codiererrad oder ein Zahn- oder Kerbenrad), voneinander beabstandet sein, und das Sensorelement C ist dazwischen angeordnet.
Der magnetische Geschwindigkeitssensor 100 umfasst außerdem eine Sensorschaltung 10, die die Sensorsignale von den Sensorelementen L, C und R zum Verarbeiten und zum Erzeugen eines Geschwindigkeitsausgangssignals empfängt. Die Sensorschaltung 10 umfasst zwei Signalwege: einen Geschwindigkeitssignalweg und einen Richtungssignalweg. Das Signal auf dem Geschwindigkeitssignalweg kann in Form einer sinusförmigen (Sinus-)Wellenform vorhanden sein, die eine Drehung des Zielobjekts darstellt, und das Signal auf dem Richtungssignalweg kann eine ähnliche Wellenform aufweisen, die um 90° von dem Geschwindigkeitssignal verschoben ist. Das heißt, das Richtungssignal ist eine sinusförmige (Kosinus-)Wellenform, die eine Drehung des Zielobjekts darstellt. Obwohl die Beispiele hierin beschreiben, dass die Sinuskurve als Geschwindigkeitssignal verwendet wird und die Kosinuskurve als Richtungssignal verwendet wird, ist ersichtlich, dass auch das Gegenteil der Fall sein, solange die zwei Signale voneinander um 90° phasenverschoben sind.
Der Geschwindigkeitssignalweg der Sensorschaltung 10 kann eine Kombinierschaltungsanordnung 11s umfassen, die Sensorsignale von den Sensorelementen L und R empfängt und daraus ein Differenzmesssignal erzeugt. Beispielsweise kann die Kombinierschaltung 11s einen oder mehrere Differenzverstärker aufweisen, die die Differenz zwischen den Sensorelementen L und R (z. B. L-R) ausgeben. Das Differenzmesssignal des Geschwindigkeitssignalweges kann als ein sinusförmiges (Sinus-)Signal dargestellt werden und kann hierin als ein Geschwindigkeitssignal bezeichnet werden, das einer Drehung des Zielobjekts entspricht. Ein Differenzmesssignal stellt gegenüber homogenen externen Streumagnetfeldern eine Robustheit bereit.
Zusätzlich dazu kann der Geschwindigkeitssignalweg einen ADC 12s umfassen, der das Differenzmesssignal des Geschwindigkeitssignalweges in ein digitales Signal zur weiteren Verarbeitung durch einen verbleibenden Abschnitt der Sensorschaltung 10 umwandelt.
Es ist zu beachten, dass eine andere Logik und Schaltungsanordnung außer oder in Kombination mit einem Differenzverstärker als die Kombinierschaltungsanordnung 11s verwendet werden können, um das Differenzmesssignal zu erzeugen, oder andere Kombinationen von Sensorsignalen aus Sensorelementen L, C und R verwendet werden können, um das Geschwindigkeitssignal zu erzeugen. Beispielsweise kann das Messsignal ein Differenzmesssignal sein, das aus zwei Sensorsignalen unter Verwendung einer Differenzberechnung abgeleitet wird.
Zusätzlich ist auch zu beachten, dass die Kombinierschaltungsanordnung 11s optional ist und dass eines der Sensorsignale aus den Sensorelementen L, C oder R als eine Monozelle verwendet werden kann und direkt an dem ADC angelegt und als das Geschwindigkeitssignal verwendet werden kann.
Der Richtungssignalweg der Sensorschaltung 10 kann eine Kombinierschaltungsanordnung 11d umfassen, die Sensorsignale aus den Sensorelementen L, C und R empfängt und ein Differenzmesssignal daraus erzeugt. Beispielsweise kann die Kombinierschaltungsanordnung 11d einen oder mehrere Differenzverstärker umfassen, die die Differenz zwischen den Sensorelementen C und R (z. B. C-R) ausgeben. Das Differenzmesssignal des Richtungssignalweges kann als ein Kosinussignal dargestellt werden und kann hierin als ein Richtungssignal bezeichnet werden, das einer Drehung des Zielobjekts entspricht. Somit weist das Richtungssignal eine ähnliche Wellenform auf wie die des Geschwindigkeitssignals, ist jedoch um 90° von dem Geschwindigkeitssignal phasenverschoben.
In einigen Fällen kann das Richtungssignal im Vergleich zu dem Geschwindigkeitssignal einen kleineren Extremwert (d. h. Maximum und Minimum) aufweisen. Wenn in diesem Fall jedoch die zwei Signale auf eine gemeinsame Amplitude normalisiert werden, ist ersichtlich, dass das Richtungssignal dem Geschwindigkeitssignal ähnelt, jedoch um 90° phasenverschoben ist.
Da das Geschwindigkeitssignal und das Richtungssignal voneinander um 90° phasenverschoben sind, kann eine Richtung einer Drehung des Zielobjekts daraus auf der Basis davon bestimmt werden, ob die Phasenverschiebung eine positive oder eine negative um 90° ist (d. h. über die Richtung der Phasenverschiebung).
Zusätzlich dazu kann der Richtungssignalpfad einen ADC 12d umfassen, der das Referenzmesssignal des Richtungssignalweges in ein digitales Signal zur weiteren Verarbeitung durch einen verbleibenden Abschnitt der Sensorschaltung 10 umwandelt.
Es ist zu beachten, dass eine andere Logik und Schaltungsanordnung außer oder in Kombination mit einem Differenzverstärker als die Kombinierschaltungsanordnung 11d verwendet werden können, um das Differenzmesssignal zu erzeugen, oder andere Kombinationen von Sensorsignalen aus den Sensorelementen L, C und R dazu verwendet werden können, das Richtungssignal zu erzeugen.
Zusätzlich dazu ist zu beachten, dass die Kombinierschaltungsanordnung 11d optional ist und dass eines der Sensorsignale aus einem der Sensorelemente L, C oder R als eine Monozelle verwendet werden kann und direkt an den ADC angelegt und als das Richtungssignal verwendet werden kann. Beispielsweise kann das Sensorelement C als eine Monozelle zum Erzeugen des Richtungssignals verwendet werden, falls das Sensorelement L als eine Monozelle zum Erzeugen des Geschwindigkeitssignals verwendet wird.
Die Sensorschaltung 10 umfasst ferner einen Signalumwandlungsalgorithmusblock 13, der das Geschwindigkeitssignal und das Richtungssignal zur weiteren Verarbeitung empfängt. Beispielsweise kann der Signalumwandlungsalgorithmusblock 13 einen oder mehrere Prozessoren und/oder Logikeinheiten umfassen, die unterschiedliche Signalkonditionierungsfunktionen ausführen, z. B. eine absolute Signalumwandlung, Normalisierung, Linearisierung und so weiter. Eine oder mehrere Signalkonditionierungsfunktionen können in Kombination mit einer Nachschlagtabelle ausgeführt werden, die in einem Speicher 14 gespeichert ist. Der Ausgang des Signalumwandlungsalgorithmusblockes 13 wird einem Signalprotokollblock 15 bereitgestellt, der dazu ausgebildet ist, ein Geschwindigkeitspulssignal als ein Ausgangssignal zu erzeugen. Jeder „Block“ kann einen oder mehrere Prozessoren zum Verarbeiten von einem oder mehreren Signalen umfassen.
2A ist ein Beispiel einer sinusförmigen Wellenform, die durch einen magnetischen Geschwindigkeitssensor gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen erzeugt wird. 2B ist eine Draufsicht auf ein magnetisches Codiererrad 20, das dazu ausgebildet ist, sich um eine Achse zu drehen, gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Im Einzelnen zeigt 2A eine Vollumdrehungsgeschwindigkeitssensorsignalantwort einer vollen Umdrehung des magnetischen Codiererrads 20. Die Geschwindigkeitssensorsignalantwort kann ein durch ein Signalsensorelement (z. B. L, C oder R) erzeugtes Sensorsignal sein oder kann ein oben beschriebenes Differenzmesssignal sein.
Ein Polpaar umfasst benachbarte Nord- und Südpole des Codiererrads oder einen benachbarten Zahn und eine Kerbe eines gezahnten Rads (nicht gezeigt). Typischerweise übersetzt sich für Geschwindigkeitsanwendungen die Anzahl von Polpaaren des Zielrads, die auch einer Anzahl von Zähnen eines Zahnrads entspricht, in eine Anzahl von Sinuswellenformen für eine volle Umdrehung von 360°. Für dieses Beispiel würde das magnetische Codiererrad 20 24 Polpaare umfassen, gemäß der in 2A gezeigten sinusförmigen Wellenform. Jedoch zeigt 2B zur Vereinfachung der Darstellung lediglich eine begrenzte Anzahl von Polpaaren (4).
Um ein Geschwindigkeitsrad zu messen (z. B. in einer Fahrzeuganwendung), wird das Codiererrad 20 in Kombination mit dem magnetischen Geschwindigkeitssensor 100 verwendet. Der Sensor 100 erzeugt ein Ausgangssignal auf der Basis eines erfassten Magnetfeldes, das zwischen zwei Extremwerten (z. B. einem Minimum und einem Maximum) gemäß der Drehung des Codiererrads oszilliert. Eine Steuereinheit (z. B. eine elektronische Steuereinheit (ECU, Electronic Control Unit)), die zumindest einen Prozessor umfasst, ist dazu in der Lage, eine Radgeschwindigkeit und einen tatsächlichen Winkel des sich drehenden Codiererrads auf der Basis der durch die Sensorschaltung 10 erzeugten Ausgangssignale zu berechnen.
Im Hinblick auf das oben Gesagte ist ein Messsignal eine Messung des Magnetfeldes B, das über einen Zeitraum t durch den magnetischen Geschwindigkeitssensor 100 erfasst wird, und oszilliert bei der Drehung des magnetischen Codierers zwischen zwei Extremwerten. Ferner kann das Messsignal einen Versatz von einer x-Achse in einer y-Achse-Richtung aufweisen und kann ferner durch ein Verarbeiten, das durch die Sensorschaltung 10 ausgeführt wird, auf eine gemeinsame Amplitude normalisiert werden.
Die Pulse eines Ausgangssignals können durch einen Signalprotokollblock 15 auf die Detektion einer Überquerung eines Umschaltpunktes (d. h. eine Umschaltschwelle) des Messsignals, das durch den Signalumwandlungsalgorithmusblock 13 bereitgestellt wird, hin erzeugt werden. Der Umschaltpunkt, der in dem Speicher 14 gespeichert wird (z. B. in einer Nachschlagtabelle), befindet sich zwischen dem Minimum (min) und dem Maximum (max) des Magnetfeldes B.
Ferner kann die Sensorschaltung 10 beispielsweise über den Signalumwandlungsalgorithmusblock 13 regelmäßig und autonom den Umschaltpunkt (erneut) berechnen und den Umschaltpunkt auf der Basis eines Durchschnittes von einem oder mehreren Minimumwerten oder einem oder mehreren Maximumwerten des gemessenen Magnetfeldes oder auf der Basis der berechneten Geschwindigkeit (z. B. Frequenz) von einem oder mehreren Sensorsignalen oder Messsignalen selbst kalibrieren.
Beispielsweise kann der Umschaltpunkt als ein Durchschnitt der jüngsten Minimal- und Maximalwerte des Messsignals berechnet werden und demgemäß angepasst werden. Alternativ dazu kann der Umschaltpunkt auf der Basis eines Werts des Geschwindigkeitssignals angepasst werden und aus einer Nachschlagtabelle, die Geschwindigkeitswerte und entsprechende Umschaltpunkte speichert, bestimmt werden. Durch das Anpassen des Umschaltpunktes auf einer fortlaufenden und dynamischen Basis wird die Genauigkeit des Umschaltpunktes in einem bestimmten Bereich gemäß schnellen Änderungen des Messsignals beibehalten und stellt sicher, dass eine gute Jitter-Leistung erzielt wird.
3 ist ein Blockdiagramm, das einen magnetischen Winkelsensor 300 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen veranschaulicht. Der magnetische Geschwindigkeitssensor 300 umfasst Sensorelemente X und Y, die dazu ausgebildet sind, ansprechend auf ein Auftreffen eines magnetischen Feldes darauf ein Sensorsignal zu erzeugen.
Die Sensorelemente X und Y können derart angeordnet sein, dass das Sensorelement X und das Sensorelement Y voneinander um einen vorbestimmten Abstand getrennt sind, so dass zwei Sensorsignale erzeugt werden, die voneinander um 90° phasenverschoben sind. In diesem Fall können das X-Sensorelement und das Y-Sensorelement laterale Hall-Sensorelemente sein, so dass das Sensorelement X dazu ausgebildet ist, die Sinuswinkelkomponente (z. B. x-Komponente) des Magnetfeldes zu erfassen, und das Sensorelement Y dazu ausgebildet ist, die Kosinuswinkelkomponente (z. B. y-Komponente) des Magnetfeldes zu erfassen.
Alternativ dazu können die Sensorelemente X und Y jeweils eine Widerstandsbrücke darstellen, die jeweils vier Sensorelemente (z. B. xMR-Sensorelemente) umfassen. Im Einzelnen umfasst eine erste Widerstandsbrücke X vier Sensorelemente (z. B. xMR-Sensorelemente) mit unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen zum Ableiten einer Sinuswinkelkomponente (z. B. x-Komponente) des Magnetfeldes und eine zweite Widerstandsbrücke Y umfasst vier Sensorelemente (z. B. xMR-Sensorelemente) mit unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen zum Ableiten einer Kosinuswinkelkomponente (z. B. y-Komponente) des Magnetfeldes.
Beispielsweise veranschaulicht 3 ein Beispiel einer ersten Widerstandsbrücke X, die ein Sensorsignal Sx erzeugt und vier xMR-Sensorelemente R1, R2, R3 und R4 umfasst, deren Pfeile dahin gehend bereitgestellt sind, eine Richtung einer Gepinnte-Schicht-Magnetisierung jedes in der x-Richtung ausgerichteten Sensorelementes zu bezeichnen. 3B veranschaulicht ferner ein Beispiel einer zweiten Widerstandsbrücke Y, die ein Sensorsignal Sy erzeugt und vier xMR-Sensorelemente R5, R6, R7 und R8 umfasst, wobei Pfeile dahin gehend bereitgestellt sind, eine Richtung einer Gepinnte-Schicht-Magnetisierung jedes in der y-Richtung ausgerichteten Sensorelementes zu bezeichnen.
Jedes Sensorelement der ersten Widerstandsbrücke X ist auf dem Winkelsensor 300 an einer im Wesentlichen gleichen Position wie ein entsprechendes der Sensorelemente der zweiten Widerstandsbrücke Y angeordnet. Somit gibt jede Widerstandsbrücke ein Sensorsignal aus, das von der anderen Widerstandsbrücke um 90° phasenverschoben ist.
Es ist zu beachten, dass andere Anordnungen von Sensorelementen und eine andere Nutzung von anderen Arten von Sensorelementen möglich sind, und nicht auf die obigen Beispiele beschränkt sind, solange die zwei Messsignale um 90° voneinander phasenverschoben sind.
Der magnetische Winkelsensor 300 umfasst außerdem eine Sensorschaltung 30, die die Sensorsignale von den Sensorelementen X und Y zum Verarbeiten und zum Erzeugen eines Winkelausgangssignals empfängt. Die Sensorschaltung 30 umfasst zwei Signalwege: einen X-Signalweg und einen Y-Signalweg. Das Signal-X auf dem X-Signalweg kann in Form einer sinusförmigen (Sinus-)Wellenform vorhanden sein, die eine Winkelausrichtung des Zielobjekts darstellt, und das Signal-Y des Y-Signalweges kann eine ähnliche Wellenform aufweisen, die um 90° von dem Signal-X phasenverschoben ist. Das heißt, das Signal-Y ist eine sinusförmige (Kosinus-)Wellenform, die eine Winkelausrichtung des Zielobjekts darstellt. Es ist zu beachten, dass, obwohl die hierin beschriebenen Beispiele beschreiben, dass die Sinuswellenform als das Signal-X verwendet wird und die Kosinuswellenform als das Signal-Y verwendet wird, kann das Gegenteil zutreffen, solange die zwei Signale um 90° voneinander phasenverschoben sind.
Die Signalwege X und Y können einen ADC 31x beziehungsweise einen ADC 31y umfassen, die das Messsignal des jeweiligen Signalweges in ein digitales Signal zum weiteren Verarbeiten durch einen verbleibenden Abschnitt der Sensorschaltung 30 umwandeln.
Zusätzlich dazu kann ein Block 32 zur Temperaturkompensation (TC, Temperature Compensation), Selbstkalibrierung und Filterung die Messsignale X und Y empfangen und eine oder mehrere Signalkonditionierungsoperationen derselben ausführen, bevor die Messsignale X und Y an den Signalumwandlungsalgorithmusblock 33 ausgegeben werden.
Der Signalumwandlungsalgorithmusblock 33 ist dazu ausgebildet, das Signal-X und das Signal-Y zur weiteren Verarbeitung zu empfangen. Beispielsweise kann der Signalumwandlungsalgorithmusblock 33 einen oder mehrere Prozessoren und/oder Logikeinheiten umfassen, die unterschiedliche Signalkonditionierungsfunktionen ausführen, etwa eine absolute Signalumwandlung, eine Normalisierung, eine Linearisierung, eine Frequenzerhöhung und dergleichen. Eine oder mehrere Signalekonditionierungsfunktionen können in Kombinationen mit einer Nachschlagtabelle, die im Speicher 34 gespeichert ist, ausgeführt werden. Der Ausgang des Signalumwandlungsalgorithmusblockes 13 wird einem Winkelprotokollblock 35 bereitgestellt, der dazu ausgebildet ist, ein Winkelsignal als ein Ausgangssignal zu erzeugen. Jeder „Block“ kann einen oder mehrere Prozessoren zum Verarbeiten eines oder mehrerer Signale umfassen.
4A ist ein Beispiel einer durch einen magnetischen Winkelsensor erzeugten sinusförmigen Wellenform, gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. 4B ist eine Draufsicht auf ein magnetisches Ziel 40 einschließlich eines Nordpols und eines Südpols, das dazu ausgebildet ist, sich um eine Achse gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen zu drehen. Im Einzelnen zeigt 4A eine Vollumdrehungswinkelsensorsignalantwort einer vollen Umdrehung des Magnetziels 40. Die Winkelsensorsignalantwort kann ein Sensorsignal sein, das durch ein Sensorelement (z. B. Widerstandsbrücke X oder Widerstandsbrücke Y) oder eine Kombination daraus erzeugt wird. Das magnetische Ziel 40 kann ein Magnet, eine magnetische Pille, ein Rad, eine Welle oder dergleichen sein, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Um eine Winkelposition zu messen (z. B. in einer Fahrzeuganwendung), wird das magnetische Ziel 40 in Kombination mit dem magnetischen Winkelsensor 300 verwendet. Der Sensor 300 erzeugt ein Ausgangssignal basierend auf einem erfassten Magnetfeld, das zwischen zwei Extremwerten (z. B. einem Minimum und einem Maximum) gemäß der Ausrichtung des Magnetfeldes bei einer Drehung des Magnetfeldes 40 oszilliert. Eine Steuereinheit (z. B. eine elektronische Steuereinheit (ECU, Electronic Control Unit)), die zumindest einen Prozessor umfasst, ist dazu in der Lage, einen Absolutwinkel des magnetischen Zieles 40 basierend auf den durch die Sensorschaltung 30 erzeugten Ausgangssignalen zu berechnen.
Im Hinblick auf das oben Gesagte ist ein Messsignal ein Messsignal des Magnetfeldes B, das über einen Zeitraum t durch den magnetischen Winkelsensor 300 erfasst wird und das bei einer Drehung des Magnetziels zwischen den zwei Extremwerten oszilliert. Ferner kann das Messsignal einen Versatz von einer x-Achse in einer y-Achse-Richtung aufweisen und kann ferner durch Verarbeiten, das durch die Sensorschaltung 30 ausgeführt wird, auf eine gemeinsame Amplitude normalisiert werden.
Bei einem Antiblockiersystem (ABS) kann ein Magnetsensor bei Berganfahrhilfe- und Parkassistentanwendungen verwendet werden. Eine hohe Genauigkeit ist bei beiden Anwendungen erwünscht. Jedoch ist mit 30 bis 60 Polen bei einem Standard ABS-Rad die Auflösung zu niedrig und der ABS-Magnetsensor ist nur dazu in der Lage, Fahrzeugbewegungen in dem Bereich von 2 cm zu detektieren.
Bei einer Übertragungserfassung kann ein Magnetsensor auch für eine Berganfahrhilfeanwendung verwendet werden. Jedoch führt das Verkleinern der Übertragungseinheiten dazu, dass der Abstand zwischen dem Polrad und dem Magnetsensor zunimmt, da der Magnetsensor außerhalb der Übertragungseinheit platziert sein wird. Das führt zu größeren Abständen zwischen dem Magnetsensor und dem Polrad. Für solche großen Abstände ist ein starkes Magnetfeld erforderlich, das nur durch das Erhöhen (z. B. Verdoppeln) des Abstandes auf dem Rad erzielt werden kann. Bei einem konstanten Raddurchmesser führt dies zu einer Reduzierung der Polpaare (d. h. der Sensor erzeugt die Hälfte der Pulse). Um dieses Verhalten ohne die Erfordernis von Softwaremodifizierungen zu kompensieren, sollte der Übertragungssensor zumindest die doppelte Anzahl an Pulsen liefern.
Winkelsensoren verwenden für gewöhnliche eine Kombination von Sinus- und Kosinussignalen (d. h. um 90° phasenverschobene Signale), um die korrekten Winkelinformationen auf der Basis von trigonometrischen Funktionen (z. B. atan) zu bestimmen. Eine effiziente Weise, um dies auf der Ebene einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC, Application-Specific Integrated Circuit) durchzuführen, ist durch die Verwendung der sogenannten CORDIC-Funktion (COordinate Rotation Digital Computer) (auch als Volder-Algorithmus bekannt). Die CORDIC-Funktion ist ein einfacher und effizienter Algorithmus, um hyperbolische und trigonometrische Funktionen zu berechnen, wobei typischerweise mit einer Ziffer (oder Bit) pro Iteration konvergiert wird.
Die Operation des Signalumwandlungsalgorithmusblockes 13 und des Signalumwandlungsalgorithmusblockes 33 wird im Folgenden ausführlich beschrieben. Obwohl der Signalumwandlungsalgorithmusblock 13 und der Signalumwandlungsalgorithmusblock 33 oben in unterschiedlichen Anwendungen beschrieben wurden (z. B. Geschwindigkeitserfassung und Winkelerfassung), können auf beide ähnliche Konzepte angewandt werden. Beispielsweise können beide Signalumwandlungsalgorithmusblöcke 13 und 33 dazu ausgebildet sein, zwei Messsignale (z. B. Sinus und Kosinus) zu empfangen, die voneinander um 90° phasenverschoben sind. Bei beiden Anwendungen sind die Signalumwandlungsalgorithmusblöcke 13 und 33 dazu ausgebildet, eine Anzahl von Nulldurchgängen oder eine Frequenz eines Messsignals auf der Basis der zwei phasenverschobenen Sensorsignale zu erhöhen.
In Bezug auf eine Geschwindigkeitserfassungsanwendung kann es wünschenswert sein, die Anzahl von Nulldurchgängen pro Umdrehung zu erhöhen. Beispielsweise kann ein ABS-Sensor oder ein Übertragungssensor ein Protokoll (z. B. ein erzeugter Puls) bei jedem Nulldurchgang eines Messsignals liefern. Wenn die Anzahl von Nulldurchgängen pro Umdrehung erhöht wird, dann kann die Anzahl von Pulsen pro Umdrehung auch erhöht werden.
5 veranschaulicht sinusförmige Wellenformen eines Geschwindigkeitssignals und eines Richtungssignals für ein Polpaar (d. h. 6°), die durch einen Geschwindigkeitssensor gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen erzeugt werden. Im Einzelnen zeigt 5 ein Beispiel eines Geschwindigkeitssignals und eines Richtungssignals, die in den Signalumwandlungsalgorithmusblock 13 aus 1 eingegeben werden. Das Geschwindigkeitssignal und das Richtungskanalsignal sind um eine halbe Periode phasenverschoben.
Die x-Achse in 5 ist in Grad (°) gezeigt, wohingegen die y-Achse einen normalisierten Wert zeigt, der Millitesla (mT) entspricht. Wird angenommen, dass ein Referenzpolrad mit 60 Polpaaren über eine Umdrehung von 360° vorhanden ist, stellt jedes Polpaar 6° einer vollen Umdrehung dar. In seiner aktuellen Form und unter der Annahme, dass bei jedem Nulldurchgang in dem Geschwindigkeitsweg ein Puls an dem Geschwindigkeitspulserzeugungsblock 15 erzeugt wird, ergibt das Geschwindigkeitssignal zwei Pulse pro 6° (z. B. ein Puls bei 0° und der andere Puls bei 3°).
Es ist zu beachten, dass die in 5 gezeigten Signale zur Vereinfachung auf eine gemeinsame Amplitude normalisiert sind. In einer typischen Anwendung kann eine Amplitude des Geschwindigkeitssignals 10 mT sein und eine Amplitude des Richtungssignals kann 3 mT sein. Eine Signalkonditionierung kann durch den Signalumwandlungsalgorithmusblock 13 dahin gehend angewendet werden, beide Signale zu normalisieren, oder es sollte in den unten dargestellten Berechnungen eine Differenz in der Amplitude der Signale betrachtet werden. Somit wird zur Vereinfachung der Erläuterung angenommen, dass das Geschwindigkeitssignal und das Richtungssignal auf eine gemeinsame Amplitude normalisiert sind, wie in 5 gezeigt ist, und der Signalumwandlungsalgorithmusblock 13 setzt die Ausführung der Nachverarbeitung der normalisierten Signale fort.
6 veranschaulicht Absolutwerte der in 5 gezeigten sinusförmigen Wellenformen gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Im Einzelnen ist der Signalumwandlungsalgorithmusblock 13 dazu ausgebildet, die Signale abs(Geschwindigkeit) und abs(Richtung), die aus dem Absolutwert des normalisierten Geschwindigkeitssignals und des normalisierten Richtungssignals abgeleitet sind, die in 5 gezeigt sind, zu erzeugen.
7 veranschaulicht eine neue Geschwindigkeitssignalwellenform, die aus den in 6 gezeigten Signalen abgeleitet ist, gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Im Einzelnen ist das neue Geschwindigkeitssignal ein dreieckig geformtes Signal mit einer erhöhten Anzahl an Nulldurchgängen. Das neue Geschwindigkeitssignal kann als Geschwindigkeit(L) bezeichnet werden, wobei dasselbe dem unteren Abschnitt von abs(Geschwindigkeit) und abs(Richtung) entspricht, wohingegen der verbleibende Abschnitt der zwei Wellenformen aus 7 ein anderes Signal bilden kann, Geschwindigkeit(U), wobei dasselbe dem oberen Abschnitt von abs(Geschwindigkeit) und abs(Richtung) entspricht.
Wie in 7 gezeigt ist, ist der Signalumwandlungsalgorithmusblock 13 dazu ausgebildet, das Signal Geschwindigkeit(L) aus den Signalen abs(Geschwindigkeit) und abs(Richtung), die einander schneiden, zu extrahieren. Beispielsweise kann der Signalumwandlungsalgorithmusblock 13 eine nichtlineare Funktion oder Berechnung auf die Signale abs(Geschwindigkeit) und abs(Richtung) anwenden, um das Signal Geschwindigkeit(L) abzuleiten. Die nichtlineare Funktion kann beispielsweise dahin gehend verwendet werden, das geringere der Signale abs(Geschwindigkeit) und abs(Richtung) „nachzuverfolgen“ oder „zu reproduzieren“, um die dreieckige Wellenform, Geschwindigkeit(L), zu erzeugen. Das heißt, die Signale abs(Geschwindigkeit) und abs(Richtung) können miteinander verglichen werden und das kleinere der zwei Signale kann durch den Signalumwandlungsalgorithmusblock 13 zum Erzeugen der dreieckigen Wellenform, Geschwindigkeit(L), verwendet werden. Die verbleibenden Abschnitte der Signale abs(Geschwindigkeit) und abs(Richtung), die nicht dazu verwendet werden, das Signal Geschwindigkeit(L) zu bilden, können dahin gehend extrahiert werden, das Signal Geschwindigkeit(U) zu bilden.
In diesem Fall kann die Regel für die nichtlineare Funktion, um das Signal Geschwindigkeit(L) abzuleiten, in dem Kontext von 5 wie folgt beschrieben werden:

Verwende das Geschwindigkeitssignal, wenn Richtung > Geschwindigkeit > 0; und
Verwende das Richtungssignal, wenn Geschwindigkeit > Richtung > 0.

Alternativ dazu kann in diesem Fall die Regel für die nichtlineare Funktion zum Ableiten des Signals Geschwindigkeit(L) im Kontext von 6 wie folgt beschrieben werden:

Verwende das Signal abs(Geschwindigkeit), wenn abs(Richtung) > abs(Geschwindigkeit); und
Verwende das Signal abs(Richtung), wenn abs(Geschwindigkeit) > abs(Richtung).

Somit kann die Funktion, die auf die Signale abs(Geschwindigkeit) und abs(Richtung) angewendet wird, wie folgt zusammengefasst werden: Solange das Richtungssignal größer als das Geschwindigkeitssignal ist, ist dem Geschwindigkeitsweg zu folgen; und sobald das Geschwindigkeitssignal größer als das Richtungssignal ist, ist dem Richtungsweg zu folgen. In Abhängigkeit der Umstände kann die Funktion, die auf die Signale abs(Geschwindigkeit) und abs(Richtung) angewendet wird, als eine lineare Funktion, als eine nichtlineare Funktion oder als eine andere geeignete Funktion ausgewählt werden.
Bei Betrachtung von 7 wird ein Fachmann erkennen, dass es für geeignete Funktionen von Interesse ist, im Wesentlichen einem der Signale abs(Geschwindigkeit) und abs(Richtung) zu folgen, bis ein Umkehrpunkt des einen der abs-Signale erreicht wird. Von diesem ersten Umkehrpunkt folgt die Funktion im Wesentlichen dem anderen der Signale abs(Geschwindigkeit) und abs(Richtung), bis ein zweiter Umkehrpunkt des anderen der abs-Signale erreicht wird. Von diesem zweiten Umkehrpunkt würden geeignete Funktion im Wesentlichen dem zweiten abs-Signal folgen, bis der dritte Umkehrpunkt erreicht wird. Mit anderen Worten können geeignete Funktionen ändern, welches abs-Signal im Wesentlichen von einem Umkehrpunkt zu dem nächsten verfolgt wird.
Zahlreiche Funktionen können dazu verwendet werden, das gleiche oder ähnliche Ergebnis zu erzielen. Beispielsweise kann eine Interpolationsfunktion auf die Signale abs(Geschwindigkeit) und abs(Richtung) angewendet werden, so dass zahlreiche Punkte des niedrigeren der zwei Signale detektiert werden, und die Interpolationsfunktion (z. B. Spline-Interpolation) kann auf die abgetasteten Werte angewendet werden, um eine optimale Wellenform, z. B. Geschwindigkeit(L), in Bezug auf einen Lastzyklus zu erzeugen. Alternativ kann eine lineare Anpassung auf die abgetasteten Werte angewendet werden, um eine linearisierte Wellenform zu erzeugen, z. B. Geschwindigkeit(L).
Obwohl die Wellenform Geschwindigkeit(L) als dreieckiges Signal (oder gekrümmtes Dreieck) veranschaulicht ist, sind die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele nicht darauf beschränkt und anders geformte Wellenformen sind möglich, beispielsweise um Phasendifferenzen zu kompensieren. Somit kann das Signal / die Signale, das/die durch den Signalumwandlungsalgorithmusblock 13 durch Anwenden einer oder mehrerer oben beschriebener Funktionen erzeugt wird/werden, im Wesentlichen als umgewandeltes Signal bezeichnet werden.
Alternativ dazu kann der Signalumwandlungsalgorithmusblock 13 dazu ausgebildet sein, das Signal Geschwindigkeit(U) auf ähnliche Weise aus den Signalen abs(Geschwindigkeit) und abs(Richtung) zu extrahieren. Beispielsweise kann eine nichtlineare Funktion auf die Signale abs(Geschwindigkeit) und abs(Richtung) angewendet werden, so dass Folgendes gilt: Solange das Richtungssignal größer als das Geschwindigkeitssignal ist, ist dem Richtungsweg zu folgen; und sobald das Geschwindigkeitssignals größer als das Richtungssignal ist, ist dem Geschwindigkeitsweg zu folgen. Somit kann eine dreieckige Wellenform, Geschwindigkeit(U), durch Anwenden von Prinzipien erzeugt werden, die den oben genannten ähneln. Jedoch kann das Extrahieren des Signals Geschwindigkeit(L) wünschenswerter sein, da der untere Abschnitt der Signale abs(Geschwindigkeit) und abs(Richtung) natürlicherweise einer dreieckig geformten Wellenform ähnelt und weniger Verarbeitung und Schätzung erfordert.
8 veranschaulicht ein normalisiertes Signal der in 7 gezeigten dreieckigen Wellenform gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Im Einzelnen ist das Signal Geschwindigkeit(Aus1) eine Normalisierung des dreieckig geformten Signals Geschwindigkeit(L) und wird dem Geschwindigkeitspulserzeugungsblock 15 bereitgestellt, um das gepulste Ausgangssignal auf der Basis einer oder mehrerer Umschaltschwellen zu erzeugen.
Wenn das Signal Geschwindigkeit(Aus1) mit dem anfänglichen Geschwindigkeitssignal verglichen wird, ist ersichtlich, dass die Anzahl von Nulldurchgängen von zwei pro Polpaar auf acht pro Polpaar erhöht ist. Wenn ein Puls für jede ansteigende Kante oder jede abfallende Kante des Signals Geschwindigkeit(Aus1) geliefert wird, würde somit der Geschwindigkeitspulserzeugungsblock 15 vier Pulse pro Polpaar bereitstellen. Wenn ein Puls bei beiden ansteigenden Kanten und fallenden Kanten des Signals Geschwindigkeit(Aus1) geliefert werden, würde der Geschwindigkeitspulserzeugungsblock 15 ferner acht Pulse pro Polpaar bereitstellen.
Aufgrund von kleinen Nichtlinearitäten der Sinus- und Kosinusfunktion können die Nulldurchgänge nicht länger gut um die 6° eines Polpaares verteilt werden. Das heißt, der Lastzyklus kann unregelmäßig sein und kann Leistungsprobleme bewirken. Eine Wellenformung oder eine Anpassung der Umschaltschwelle kann angewendet werden, um diesen Effekt zu kompensieren. Wie oben erwähnt ist, kann beispielsweise eine Wellenformung an dem Signal Geschwindigkeit(L) durchgeführt werden, um das Signal in eine idealere dreieckige Wellenform umzuwandeln, um das Signal beispielsweise zu linearisieren. Alternativ dazu kann die Wellenformungsverarbeitung auf einer fortlaufenden Echtzeitbasis aus ähnlichen Gründen auf das Signal Geschwindigkeit(Aus1) angewendet werden. In beiden Fällen kann eine einzelne Umschaltschwelle (z. B. bei null) durch den Geschwindigkeitspulserzeugungsblock 15 verwendet werden, um das gepulste Ausgangssignal zu erzeugen, und diese Schwelle muss aufgrund der auf das Signal Geschwindigkeit(Aus1) ausgeführten Wellenformung nicht angepasst werden.
Alternativ dazu kann die Umschaltschwelle auf einer dynamischen Echtzeitbasis angepasst werden, um Unregelmäßigkeiten des Lastzyklus im Signal Geschwindigkeit(Aus1) zu kompensieren. Im Einzelnen kann eine Nachschlagtabelle verwendet werden und abhängig von einem Eingangswert des Geschwindigkeitssignals (oder Richtungssignals) aus 5 kann die durch den Geschwindigkeitspulserzeugungsblock 15 für das Signal Geschwindigkeit(Aus1) angewandte Umschaltschwelle über oder unter null angepasst werden. Beispielsweise kann die Nachschlagtabelle unterschiedliche Geschwindigkeitswerte (oder Frequenzwerte) auf unterschiedliche Umschaltschwellen abbilden und der Geschwindigkeitspulserzeugungsblock 15 kann selektiv eine Umschaltschwelle anwenden, die einem aktuellen Geschwindigkeitswert oder Frequenzwert entspricht, so dass die Umschaltschwelle angepasst wird, um Unregelmäßigkeiten zu kompensieren.
Zusätzlich dazu können zwei Umschaltschwellen unter Verwendung eines ähnlichen Prinzips angewendet und angepasst werden. Beispielsweise kann eine über null gehaltene obere Umschaltschwelle zum Erzeugen eines Pulses an einem steigenden Kantenübergang des Signals Geschwindigkeit(Aus1) verwendet werden, wobei der Puls ausgelöst wird, wenn das Signal Geschwindigkeit(Aus1) die obere Umschaltschwelle an einer steigenden Kante kreuzt. Außerdem kann eine unter null gehaltene untere Umschaltschwelle zum Erzeugen eines Pulses an einem fallenden Kantenübergang des Signals Geschwindigkeit(Aus1) verwendet werden, wobei der Puls ausgelöst wird, wenn das Signal Geschwindigkeit(Aus1) die untere Umschaltschwelle an einer fallenden Kante kreuzt. Demgemäß können eine oder mehrere Nachschlagtabellen unterschiedliche Geschwindigkeitswerte (oder Frequenzwerte) sowohl auf eine obere Umschaltschwelle als auch auf eine untere Umschaltschwelle abbilden, und die obere Umschaltschwelle und die untere Umschaltschwelle können basierend auf einem aktuellen Geschwindigkeitswert oder Frequenzwert angepasst werden, um Unregelmäßigkeiten zu kompensieren.
Alternativ dazu kann anstelle der Verwendung eines Geschwindigkeitswerts des Geschwindigkeitssignals, um eine oder beide der Umschaltschwellen anzupassen, ein selbstlernender Algorithmus verwendet werden. Beispielsweise können die zwei Schwellen durch eine Methode des systematischen Probierens angepasst werden, bis ein erwünschter/korrekter Lastzyklus an dem Ausgang erzielt wird.
Die obigen Ausführungsbeispiele zeigen, dass eine Anzahl von Nulldurchgängen pro Polpaar von zwei auf acht erhöht werden kann. Zusätzlich dazu zeigen die folgenden Ausführungsbeispiele, dass die Anzahl von Nulldurchgängen pro Polpaar von zwei auf sechzehn erhöht werden kann.
Unter erneuter Bezugnahme auf 7 wurden die Signale Geschwindigkeit(L) und Geschwindigkeit(U) durch den Signalumwandlungsalgorithmusblock 13 aus den in 6 veranschaulichten Signalen erzeugt. Nach dem Erzeugen der Signale Geschwindigkeit(L) und Geschwindigkeit(U) können die zwei Signale normalisiert werden, wie in 9 gezeigt ist. Somit veranschaulicht 9 normalisierte Geschwindigkeitssignale (d. h. Geschwindigkeit(L_norm) und Geschwindigkeit(U_norm)), die aus den in 7 gezeigten Signalen Geschwindigkeit(L) und Geschwindigkeit(U) abgeleitet sind.
Sobald Geschwindigkeit(L) und Geschwindigkeit(U) normalisiert sind, ist der Signalumwandlungsalgorithmusblock 13 dazu ausgebildet, einen unteren Abschnitt der zwei sich schneidenden Signale, die Signale Geschwindigkeit(L_norm) und Geschwindigkeit(U_norm), auf eine Weise zu extrahieren, die der ähnelt, die verwendet wurde, um das Signal Geschwindigkeit(L) zu extrahieren oder zu erzeugen, wie unter Bezugnahme auf 7 beschrieben ist. Beispielsweise kann der Signalumwandlungsalgorithmusblock 13 dazu ausgebildet sein, die in 9 gezeigten Signale Geschwindigkeit(L_norm) und Geschwindigkeit(U_norm) miteinander zu vergleichen. Das kleinere der zwei Signale wird dazu verwendet, eine dreieckige Wellenform, die in 10 gezeigte Geschwindigkeit(Aus2), zu erzeugen, die zur weiteren Signalverarbeitung verwendet wird.
Obwohl die Wellenform Geschwindigkeit(Aus2) als dreieckiges Signal (oder gekrümmtes Dreieck) veranschaulicht ist, sind die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele nicht darauf beschränkt und anders geformte Wellenformen sind möglich, beispielsweise um Phasendifferenzen zu kompensieren. Somit kann das Signal / die Signale, das/die durch den Signalumwandlungsalgorithmusblock 13 durch Anwenden einer oder mehrerer oben beschriebener Funktionen erzeugt wird/werden, im Wesentlichen als umgewandeltes Signal bezeichnet werden.
Der Signalumwandlungsalgorithmusblock 13 kann eine nichtlineare Funktion oder Berechnung auf die Geschwindigkeit(L_norm) und die Geschwindigkeit(U_norm) anwenden, um die untere dreieckige Wellenform abzuleiten. Die nichtlineare Funktion kann beispielsweise dazu verwendet werden, das geringere der Signale Geschwindigkeit(L_norm) und Geschwindigkeit(U_norm) „nachzuverfolgen“ oder „zu reproduzieren“, um die dreieckige Wellenform zu erzeugen. In diesem Fall kann die Regel für die nichtlineare Funktion, um die dreieckige Wellenform abzuleiten, im Kontext von 9 wie folgt beschrieben werden:

Verwende das Signal Geschwindigkeit(L_norm), wenn Geschwindigkeit(U_norm) > Geschwindigkeit(L_norm); und
Verwende das Signal Geschwindigkeit(U_norm), wenn Geschwindigkeit(L_norm) > Geschwindigkeit(U_norm).

10 veranschaulicht ein normalisiertes Signal der in 9 abgeleiteten dreieckigen Wellenform gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. 11 veranschaulicht ein normalisiertes Signal der dreieckigen Wellenform aus 10 gemeinsam mit dem ursprünglichen Geschwindigkeitssignal und dem ursprünglichen Richtungssignal, die in 5 gezeigt sind. Im Einzelnen ist ein Signal Geschwindigkeit(Aus2) eine Normalisierung des dreieckig geformten Signals, das durch den unteren Abschnitt der Signale Geschwindigkeit(L_norm) und Geschwindigkeit(U_norm) gebildet und aus denselben abgeleitet ist, und wird dem Geschwindigkeitspulserzeugungsblock 15 bereitgestellt, um das gepulste Ausgangssignal basierend auf einer oder mehreren Umschaltschwellen zu erzeugen. Aus 10 und 11 ist ersichtlich, dass die Anzahl von Nulldurchgängen ferner auf sechzehn Nulldurchgänge pro Polpaar erhöht ist.
Es ist jedoch auch ersichtlich, dass das Signal Geschwindigkeit(Aus2) einige unerwünschte Phasenverschiebungen und einen unregelmäßigen Lastzyklus aufweist, was in einem höheren Perioden-Jitter resultiert. Das Problem einer Ungenauigkeit könnte dann erneut durch oben beschriebene ähnliche Verfahren kompensiert werden, die dazu verwendet wurden, Unregelmäßigkeiten des Lastzyklus im Signal Geschwindigkeit(Aus1) zu kompensieren. Im Einzelnen kann eine Wellenformung auf eine ideale dreieckige Wellenform oder eine Anpassung einer oder mehrerer Umschaltschwellen auf der Basis des Geschwindigkeitssignals und/oder Richtungssignals angewendet werden, um diesen Effekt zu kompensieren.
Durch das Verwenden der oben beschriebenen Ansätze, um die neuen Ausgangssignale Geschwindigkeit(Aus1) und Geschwindigkeit(Aus2) zu erzeugen, können die neuen Ausgangssignale Geschwindigkeit(Aus1) und Geschwindigkeit(Aus2) nicht länger zur Drehrichtungsdetektion unter Verwendung traditioneller Richtungsdetektionskonzepte verwendet werden. Eine Lösung kann darin bestehen, das ursprüngliche Geschwindigkeitssignal und das ursprünglichen Richtungssignal, die in 5 gezeigt sind, in Kombination mit einem der neuen Ausgangssignale Geschwindigkeit(Aus1) und Geschwindigkeit(Aus2) zur Drehrichtungsdetektion zu verwenden. Da ähnliche Prinzipien gelten, wenn die Signale Geschwindigkeit(Aus1) oder Geschwindigkeit(Aus2) zur Drehrichtungsdetektion verwendet werden, wird der Prozess lediglich unter Bezugnahme auf das Signal Geschwindigkeit(Aus1) beschrieben.
12 veranschaulicht das in 8 gezeigte Ausgangssignal Geschwindigkeit(Aus1) gemeinsam mit dem ursprünglichen Geschwindigkeitssignal und dem ursprünglichen Richtungssignal, die in 5 gezeigt sind. Eine Drehrichtungsdetektion kann durch den Geschwindigkeitspulserzeugungsblock 15 durch Bewerten des ursprünglichen Geschwindigkeitssignals und des ursprünglichen Richtungssignals an jedem Nulldurchgang des Ausgangssignals, Geschwindigkeit(Aus1), ausgeführt werden. Eine Änderung der Drehrichtung kann durch Vergleichen des Geschwindigkeitssignal und des Richtungssignals an jedem Nulldurchgang des Ausgangssignals, Geschwindigkeit(Aus1), detektiert werden. Bleiben die Werte des Geschwindigkeitssignals und des Richtungssignals gleich, wenn dieselben mit der letzten Abtastung verglichen werden, wird eine Änderung einer Drehrichtung detektiert. Wenn sich jedoch zumindest einer der Werte des Geschwindigkeitssignals und des Richtungssignals geändert hat, ist keine Änderung einer Drehrichtung aufgetreten.
Beispielsweise kann der Geschwindigkeitspulserzeugungsblock 15 dazu ausgebildet sein, eine Stichprobe der Werte des Geschwindigkeitssignals und des Richtungssignals an einem ersten Nulldurchgang von Geschwindigkeit(Aus1) nehmen, die Werte speichern, und eine Stichprobe der Werte des Geschwindigkeitssignals und des Richtungssignals an dem nächsten (zweiten) Nulldurchgang von Geschwindigkeit(Aus1) nehmen, die Werte speichern, und diese Werte mit den zuvor gespeicherten Werten vergleichen. Wenn sich zumindest einer der Werte ändert, ist die Richtung einer Drehung gleichgeblieben. Wenn beide Werte im Vergleich zu den zuvor gespeicherten Werten gleichbleiben, ist eine Änderung der Drehrichtung aufgetreten und wird detektiert.
Wie oben erwähnt ist, kann eine Drehrichtungsdetektion auch unter Verwendung von Geschwindigkeit(Aus2) ausgeführt werden, indem in der obigen Beschreibung Geschwindigkeit(Aus1) einfach mit Geschwindigkeit(Aus2) ersetzt wird.
Für eine Winkelsensoranwendung wird eine Kombination aus einem Sinusmesssignal und einem Kosinusmesssignal verwendet, um eindeutige Winkelinformationen bereitzustellen. 13 veranschaulicht Winkelsensorsignalantworten gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Im Einzelnen zeigt 13 Basisrohdatensignale, die durch die X-Sensorelemente (d. h. das Sinusmesssignal X) und durch die Y-Sensorelemente (d. h. das Kosinusmesssignal Y) erzeugt werden. Die Signale X und Y werden in den Signalumwandlungsalgorithmusblock 33 zur weiteren Verarbeitung eingegeben (d. h. absolute Signalumwandlung, Normalisierung, Linearisierung und dergleichen).
14 veranschaulicht Absolutwerte der in 13 gezeigten sinusförmigen Wellenformen gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Im Einzelnen empfängt der Signalumwandlungsalgorithmusblock 33 die Signale X und Y und wendet eine absolute Signalumwandlung darauf an, um die Signale abs(X) beziehungsweise abs(Y) zu erzeugen.
Im Wesentlichen sind die in 13 und 14 veranschaulichten Signale identisch zu den in 5 beziehungsweise 6 gezeigten Kurven, wobei eine unterschiedliche x-Achse-Skalierung nicht berücksichtigt wird. Demgemäß kann eine weitere Verarbeitung an den Signalen abs(X) und abs(Y) durch den Signalumwandlungsalgorithmusblock 33 gemäß den unter Bezugnahme auf 7 bis 11 beschriebenen Prinzipien durchgeführt werden. Folglich können die oben ausführlich beschriebenen Konzepte auf eine Winkelsensorsignalantwort angewendet werden.
Als Erstes werden die sogenannten X- und Y-Komponenten (Sinus- beziehungsweise Kosinussignal) durch den Signalumwandlungsalgorithmusblock 33 in Absolutsignale übersetzt, wie in 14 gezeigt ist.
Zweitens, wie in 15 gezeigt ist, werden die absoluten X- und Y-Komponenten durch den Signalumwandlungsalgorithmusblock 33 miteinander verglichen, um einen unteren Abschnitt davon zu extrahieren, um ein Signal ang(L) zu erzeugen. Hier wird das kleinere Signal des X- Signals und Y-Signals zur weiteren Nachverarbeitung verwendet. Das Ergebnis ist eine dreieckige Wellenform, wie in 15 als gestrichelte Linie angezeigt ist, die das neue Signal ang(L) darstellt. Dies ist wiederum identisch mit den zuvor für 5 bis 8 beschriebenen Schritten.
In diesen Fall kann die Regel für die nichtlineare Funktion, um das Signal ang(L) abzuleiten, im Kontext von 15 wie folgt beschrieben werden:

Verwende das Signal abs(X), wenn abs(Y) > abs(Y); und
Verwende das Signal abs(Y), wenn abs(X) > abs(Y).

Somit wird lediglich ein einfacher „größer als“-Bedingungsalgorithmus pro Signal benötigt. In der Alternative ist es zu beachten, dass ein „kleiner als“-Bedingungsalgorithmus hierin und bei der Geschwindigkeitserfassungsanwendung auch verwendet werden kann.
Drittens kann die linearisierte dreieckförmige Wellenform ang(L) nun weiter nachbearbeitet und schließlich durch den Winkelprotokollblock 35 verwendet werden, um absolute Winkeldaten zu berechnen. Beispielsweise können eine einfache Signalnormalisierung und eine Nachschlagtabellendatenquantisierung angewendet werden, um die Winkelinformationen zu erhalten.
Obwohl die Wellenform ang(L) als dreieckiges Signal (oder gekrümmtes Dreieck) veranschaulicht ist, sind die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele nicht darauf beschränkt und anders geformte Wellenformen sind möglich, beispielsweise um Phasendifferenzen zu kompensieren. Somit kann das Signal / die Signale, das/die durch den Signalumwandlungsalgorithmusblock 33 durch Anwenden einer oder mehrerer oben beschriebener Funktionen erzeugt wird/werden, im Wesentlichen als umgewandeltes Signal bezeichnet werden.
16 veranschaulicht Winkelsensorsignalantworten, wie in 13 gezeigt ist, gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Im Einzelnen können die Signale X und Y dazu verwendet werden, korrekte 360°-Winkelinformationen aufgrund eines Verlustes dieser Informationen während der Umwandlung der Winkelsensorsignalantworten in das Signal ang(L) zu erhalten. Dieser Informationsverlust kann in 15 beobachtet werden, wo sich das Signal ang(L) von 180° an wiederholt. Um korrekte 360°-Winkelinformationen zu erhalten, können das ursprüngliche X-Signal und das ursprüngliche Y-Signal verwendet werden.
In 16 ist ein möglicher Algorithmus, der durch den Winkelprotokollblock 35 angewendet wird, zum Erhalten der vollständigen 360°-Winkelinformationen gezeigt. Beispielsweise ist eine einfache Vorzeichenüberprüfung der X-Signalkomponente ausreichend, um den korrekten Winkelbereich zu detektieren. Mit anderen Worten: Falls das X-Signal positiv ist, ist der Winkel in dem Bereich von 0 bis 180°, und falls das X-Signal negativ ist, ist der Winkel in dem Bereich von 180° bis 360°. Natürlich kann stattdessen das Y-Signal verwendet werden oder es können sogar das X-Signal und das Y-Signal berücksichtigt werden, um die korrekten Winkelinformationen zu detektieren. Falls das Y-Signal beispielsweise positiv ist, ist der Winkel in dem Bereich von 0 bis 90° oder 270 bis 360°, und falls das Y-Signal negativ ist, ist der Winkel in dem Bereich von 90 bis 270°.
Der durch den Signalumwandlungsalgorithmusblock 33 angewendete Signalumwandlungsalgorithmus kann als Ersatz oder als Redundanzprüfung der CORDIC-Funktion verwendet werden, die von traditionellen Winkelsensoren verwendet wird.
Erstens kann der hierin beschriebene Signalumwandlungsalgorithmus als ein fundamental unterschiedliches Verfahren verwendet werden, um Winkeldaten zu berechnen. Falls aufgrund von Funktionssicherheitsanforderungen eine Redundanz von Interesse ist, kann der Signalumwandlungsalgorithmus als eine separate, redundante Berechnung verwendet werden, um zu verifizieren, ob die CORDIC-Berechnung korrekt arbeitet.
Zweitens kann dieses Verfahren im Vergleich zu der CORDIC-Berechnung zusätzliche Vorteile aufweisen, z. B. niedrige Latenz oder zusätzliche Flexibilität in Bezug auf Winkelgenauigkeit über Frequenz.
Im Hinblick auf das oben Genannte kann ein Signalumwandlungsalgorithmus auf Geschwindigkeitserfassungs- und Winkelerfassungsanwendungen angewendet werden, um die Anzahl von Nulldurchgängen des Messsignals zu erhöhen. Demgemäß kann die Genauigkeit jeder Erfassungsanwendung verbessert werden, während die strukturellen Einschränkungen des gesamten Systems (z. B. Größe und/oder Platzierung des Zielobjekts in Bezug auf den Sensor, einschließlich Luftzwischenraum) gelockert werden können. Die Bereitstellung eines Algorithmus, um die Auflösung dynamisch zu erhöhen, bietet die Flexibilität, beispielsweise ein Rad mit der Hälfte der Polanzahl zu verwenden, während die Anzahl von Nulldurchgängen auf der Chip-Seite verdoppelt wird, um dieselbe Auflösung wie bei einem Rad mit der vollständigen Anzahl von Polen bereitzustellen.
Obwohl die obigen Ausführungsbeispiele im Kontext des Detektierens einer Geschwindigkeit oder eines Winkels eines Rads oder einer Nockenwelle beschrieben wurden, kann der Sensor dazu verwendet werden, die Drehgeschwindigkeit und den Drehwinkel jedes sich drehenden Bauglieds oder Objekts zu detektieren, das bei einer Drehung sinusförmige Variationen in einem Magnetfeld erzeugt und das durch einen Sensor erfasst werden kann. Beispielsweise kann eine Kombination eines eisenhaltigen Rads und eines Back-Bias-Magneten dazu verwendet werden, ein zeitvariierendes Magnetfeld zu erzeugen. Alternativ dazu kann ein aktives Codiererrad (ohne Back-Bias-Magneten) dazu verwendet werden, ein zeitvariierendes Magnetfeld zu erzeugen.
Obwohl verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben wurden, ist es für Fachleute ferner ersichtlich, dass viele weitere Ausführungsbeispiele innerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung möglich sind. Demnach ist die Erfindung zu einzuschränken außer im Hinblick der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente. Hinsichtlich der verschiedenen Funktionen, die von den oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Baugruppen, Bauelemente, Schaltungen, Systeme, usw.) ausgeführt werden, sollen die Bezeichnungen (einschließlich des Bezugs auf eine „Einrichtung“), die verwendet werden, um solche Komponenten zu beschreiben, auch jeder anderen Komponente oder Struktur entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (d.h. die funktional gleichwertig ist), auch wenn sie der offenbarten Struktur, die in den hier dargestellten beispielhaften Ausführungsbeispielen der Erfindung die Funktion ausführt, nicht strukturell gleichwertig ist, sofern nicht anders angegeben.
Ferner sind die nachfolgenden Ansprüche hiermit in die ausführliche Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als separates Beispiel für sich stehen kann. Wenn jeder Anspruch als separates Beispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine besondere Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs einschließen können. Diese Kombinationen werden hier vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch ist.
Es ist ferner zu beachten, dass in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbarte Verfahren durch eine Vorrichtung mit Einrichtungen zum Durchführen jeder der jeweiligen Handlungen dieser Verfahren implementiert sein können.
Ferner ist zu beachten, dass die Offenbarung vielfacher in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Handlungen oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden sollte. Durch die Offenbarung von vielfachen Handlungen oder Funktionen werden diese daher nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Handlungen oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Weiterhin kann bei einigen Ausführungsbeispielen eine einzelne Handlung mehrere Teilhandlungen einschließen oder in diese unterteilt werden. Solche Teilhandlungen können eingeschlossen und Teil der Offenbarung dieser Einzelhandlung sein, sofern sie nicht ausdrücklich ausgeschlossen sind.
Die in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken können zumindest teilweise in Hardware, Software, Firmware oder einer beliebigen Kombination davon implementiert werden. Verschiedene Aspekte der beschriebenen Techniken können zum Beispiel innerhalb eines oder mehrerer Prozessoren implementiert werden, einschließlich einem oder mehreren Mikroprozessoren, Digitalsignalprozessoren (DSP), anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASIC) oder einer beliebigen anderen äquivalenten, integrierten oder diskreten Logikschaltungsanordnungen sowie beliebigen Kombinationen solcher Komponenten. Der Begriff „Prozessor“ oder „Verarbeitungsschaltungsanordnungen“ kann sich allgemein auf eine beliebige der vorstehenden Logikschaltungsanordnungen allein oder in Kombination mit anderen Logikschaltungsanordnungen oder beliebigen anderen äquivalenten Schaltungsanordnungen beziehen. Auch kann ein Hardware einschließendes Steuergerät eine oder mehrere Techniken dieser Anmeldung durchführen. Solche Hardware, Software und Firmware kann zur Unterstützung der in dieser Anmeldung beschriebenen verschiedenen Techniken innerhalb desselben Bauelementes oder innerhalb separater Bauelemente implementiert werden.
Der Fachmann wird erkennen, dass, obwohl verschiedene beispielhafte Ausführungsbeispiele offenbart wurden, verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, mit denen einige der Vorteile der hier offenbarten Konzepte erzielt werden, ohne von der Wesensart und dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Dem Durchschnittsfachmann wird sich erschließen, dass andere Komponenten, die dieselben Funktionen erfüllen, auf geeignete Weise substituiert werden können. Es versteht sich, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zu erwähnen ist, dass Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine spezielle Figur erklärt wurden, mit Merkmalen von anderen Figuren, und zwar auch von nicht explizit erwähnten, kombiniert werden können. Es ist beabsichtigt, dass solche Modifikationen des allgemeinen Erfindungskonzeptes von den angefügten Ansprüchen und deren Rechtsäquivalenten abgedeckt sind.

Claims

Ein Magnetsensor, der dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld zu messen, dessen Größe zwischen einem ersten Extremwert und einem zweiten Extremwert oszilliert, wobei der Magnetsensor folgende Merkmale aufweist: eine Mehrzahl von Magnetfeldsensorelementen, von denen jedes dazu ausgebildet ist, ansprechend auf ein Auftreffen des Magnetfeldes darauf ein Sensorsignal zu erzeugen, wobei die Mehrzahl von Sensorelementen in eine erste Gruppe, aus der ein erstes Messsignal abgeleitet wird, und eine zweite Gruppe, aus der ein zweites Messsignal abgeleitet wird, gruppiert ist, wobei das erste Messsignal und das zweite Messsignal eine Phasendifferenz von 90° aufweisen; und eine Sensorschaltung, die dazu ausgebildet ist, das erste Messsignal und das zweite Messsignal zu empfangen und einen Signalumwandlungsalgorithmus darauf anzuwenden, um ein umgewandeltes Messsignal mit einer erhöhten Frequenz in Bezug auf eine Frequenz des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals zu erzeugen.
Der Magnetsensor gemäß Anspruch 1, bei dem: die Sensorschaltung dazu ausgebildet ist, ein erstes Absolutwertsignal des ersten Messsignals und ein zweites Absolutwertsignal des zweiten Messsignals zu erzeugen und eine Funktion auf das erste Absolutwertsignal und das zweite Absolutwertsignal anzuwenden, um das umgewandelte Messsignal abzuleiten.
Der Magnetsensor gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem beim Erzeugen des umgewandelten Messsignals das erste Messsignal und das zweite Messsignal auf eine gemeinsame Amplitude normalisiert sind.
Der Magnetsensor gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem: die Funktion ein Vergleichen des ersten Absolutwertsignals mit dem zweiten Absolutwertsignal und ein Erzeugen des umgewandelten Messsignals aus dem geringeren des ersten Absolutwertsignals und des zweiten Absolutwertsignals umfasst.
Der Magnetsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem: die Sensorschaltung dazu ausgebildet ist, ein erstes Absolutwertsignal des ersten Messsignals und ein zweites Absolutwertsignal des zweiten Messsignals zu erzeugen und das umgewandelte Messsignal zu erzeugen, das ein geringeres des ersten Absolutwertsignals und des zweiten Absolutwertsignals darstellt.
Der Magnetsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem: die Sensorschaltung dazu ausgebildet ist, das umgewandelte Messsignal in ein optimales umgewandeltes Messsignal zu formen.
Der Magnetsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem: die Sensorschaltung dazu ausgebildet ist, ein erstes Absolutwertsignal des ersten Messsignals und ein zweites Absolutwertsignal des zweiten Messsignals zu erzeugen, das erste Absolutwertsignal und das zweite Absolutwertsignal auf eine gemeinsame Amplitude zu normalisieren und das umgewandelte Messsignal zu erzeugen, wobei das umgewandelte Messsignal ein geringeres des normalisierten ersten Absolutwertsignals und des normalisierten zweiten Absolutwertsignals darstellt.
Der Magnetsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem: die Sensorschaltung dazu ausgebildet ist, das umgewandelte Messsignal mit zumindest einer Umschaltschwelle zu vergleichen und basierend darauf, dass das umgewandelte Messsignal die zumindest eine Umschaltschwelle überquert, ein gepulstes Ausgangssignal zu erzeugen, wobei die Sensorschaltung ferner dazu ausgebildet ist, die zumindest eine Umschaltschwelle basierend auf einer Frequenz des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals anzupassen.
Der Magnetsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Sensorschaltung dazu ausgebildet ist: Schwellenübergänge des umgewandelten Messsignals an zumindest einer Umschaltschwelle zu detektieren; einen Wert des ersten Messsignals und einen Wert des zweiten Messsignals an den Schwellenübergängen zu speichern; einen aktuellen Wert des ersten Messsignals und einen aktuellen Wert des zweiten Messsignals mit einem vorherigen Wert des ersten Messsignals beziehungsweise einem vorherigen Wert des zweiten Messsignals zu vergleichen; und eine Änderung der Drehrichtung des Magnetfelds basierend auf einer Bedingung, dass der aktuelle Wert des ersten Messsignals der gleiche wie der vorherige Wert des ersten Messsignals ist, und auf einer Bedingung, dass der aktuelle Wert des zweiten Messsignals der gleiche wie der vorherige Wert des zweiten Messsignals ist, zu detektieren.
Der Magnetsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem: die Sensorschaltung dazu ausgebildet ist, zu bestimmen, ob das erste Messsignal positiv oder negativ ist, und einen Winkelbereich des umgewandelten Messsignals basierend darauf zu bestimmen, ob das erste Messsignal positiv oder negativ ist.
Ein Verfahren zum Messen eines Magnetfelds, dessen Größe zwischen einem ersten Extremwert und einem zweiten Extremwert oszilliert, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Erzeugen eines ersten Messsignals, welches das gemessene Magnetfeld darstellt; Erzeugen eines zweiten Messsignals, welches das gemessene Magnetfeld darstellt, wobei das erste Messsignal und das zweite Messsignal eine Phasendifferenz von 90° aufweisen; und Anwenden eines Signalumwandlungsalgorithmus auf das erste Messsignal und das zweite Messsignal, um ein umgewandeltes Messsignal mit einer erhöhten Frequenz in Bezug auf eine Frequenz des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals zu erzeugen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 11, das ferner folgende Schritte aufweist: Erzeugen eines ersten Absolutwertsignals des ersten Messsignals und eines zweiten Absolutwertsignals des zweiten Messsignals; und Anwenden einer Funktion auf das erste Absolutwertsignal und das zweite Absolutwertsignal, um das umgewandelte Messsignal abzuleiten.
Das Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, bei dem beim Erzeugen des umgewandelten Messsignals das erste Messsignal und das zweite Messsignal auf eine gemeinsame Amplitude normalisiert werden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, bei dem das Anwenden der Funktion folgende Schritte aufweist: Vergleichen des ersten Absolutwertsignals mit dem zweiten Absolutwertsignal; und Erzeugen des umgewandelten Messsignals aus dem geringeren des ersten Absolutwertsignals und des zweiten Absolutwertsignals umfasst.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, das folgende Schritte aufweist: Erzeugen eines ersten Absolutwertsignals des ersten Messsignals und eines zweiten Absolutwertsignals des zweiten Messsignals; und Erzeugen des umgewandelten Messsignals, das ein geringeres des ersten Absolutwertsignals und des zweiten Absolutwertsignals darstellt.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, das ferner folgenden Schritt aufweist: Formen des umgewandelten Messsignals in ein optimales umgewandeltes Messsignal.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, das ferner folgende Schritte aufweist: Erzeugen eines ersten Absolutwertsignals des ersten Messsignals und eines zweiten Absolutwertsignal des zweiten Messsignals; Normalisieren des ersten Absolutwertsignals und des zweiten Absolutwertsignals auf eine gemeinsame Amplitude; und Erzeugen des umgewandelten Messsignals, wobei das umgewandelte Messsignal ein geringeres des normalisierten ersten Absolutwertsignals und des normalisierten zweiten Absolutwertsignals darstellt.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, das ferner folgende Schritte aufweist: Vergleichen des umgewandelten Messsignals mit zumindest einer Umschaltschwelle; Erzeugen eines gepulsten Ausgangssignals basierend darauf, dass das umgewandelte Messsignal die zumindest eine Umschaltschwelle überquert; und Anpassen der zumindest einen Umschaltschwelle basierend auf einer Frequenz des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 18, das ferner folgende Schritte aufweist: Detektieren von Schwellenübergängen des umgewandelten Messsignals an zumindest einer Umschaltschwelle; Speichern eines Wertes des ersten Messsignals und eines Wertes des zweiten Messsignals an den Schwellenübergängen; Vergleichen eines aktuellen Werts des ersten Messsignals mit einem vorherigen Wert des ersten Messsignals; Vergleichen eines aktuellen Werts des zweiten Messsignals mit einem vorherigen Wert des zweiten Messsignals; und Detektieren eine Änderung der Drehrichtung des Magnetfelds basierend auf einer Bedingung, dass der aktuelle Wert des ersten Messsignals der gleiche wie der vorherige Wert des ersten Messsignals ist, und auf einer Bedingung, dass der aktuelle Wert des zweiten Messsignals der gleiche wie der vorherige Wert des zweiten Messsignals ist.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 19, das ferner folgende Schritte aufweist: Bestimmen, ob das erste Messsignal positiv oder negativ ist; und Bestimmen eines Winkelbereichs des umgewandelten Messsignals basierend darauf, ob das erste Messsignal positiv oder negativ ist.