DE102019124371B3

DE102019124371B3 - Vorrichtung und verfahren zum ermitteln eines drehwinkels

Info

Publication number: DE102019124371B3
Application number: DE102019124371.8A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Kollmitzer; Thomas Ganner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2021-02-25
Anticipated expiration: 2039-09-12
Also published as: US20210072016A1; CN112484632A; DE102019124371B9; CN112484632B

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung (20) zum Ermitteln eines Drehwinkels (θ) eines eine Orientierung eines Magnetfelds beeinflussenden Messobjekts (11; 12) mit Rotationsachse in z-Richtung, die Vorrichtung (20) umfassend:
wenigstens drei gleichmäßig um die Rotationsachse angeordnete erste Magnetfeldsensorelemente (Z1, Z2; Z3; Z4), welche jeweils für Magnetfeldkomponenten in z-Richtung sensitiv sind;
wenigstens drei gleichmäßig um die Rotationsachse angeordnete zweite Magnetfeldsensorelemente (X1; Y2, X3, Y4), welche jeweils für Magnetfeldkomponenten in einer x-y-Ebene sensitiv sind;
eine Einrichtung (26) zum Ermitteln des Drehwinkels (θ) basierend auf einem ersten Kombinationssignal (ΔZn), das auf einer ersten Kombination von Messsignalen der ersten Magnetfeldsensorelemente beruht, einem zweiten Kombinationssignal (ΔZd), das auf einer zweiten Kombination von Messsignalen der ersten Magnetfeldsensorelemente beruht, einem dritten Kombinationssignal (ΔVn), das auf einer ersten Kombination von Messsignalen der zweiten Magnetfeldsensorelemente beruht, einem vierten Kombinationssignal (ΔVd), das auf einer zweiten Kombination von Messsignalen der zweiten Magnetfeldsensorelemente beruht.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Positions- oder Winkelsensoren und insbesondere Winkelsensoren, die mechanische Fehlausrichtungen zwischen Sensorelementen und Messobjekt berücksichtigen.
Hintergrund
Magnetische Positions- oder Winkelsensoren werden beispielsweise im Automobilumfeld eingesetzt, um Linear- und Drehwinkelpositionen aufzulösen. Winkelsensoren können beispielsweise mittels Magnetfeldsensoren realisiert werden, die in der Nähe eines rotierenden Messobjekts, wie zum Beispiel einer Welle, platziert sind. Dabei kann ein erster Messwert (X) in Abhängigkeit von einem Magnetfeld bestimmt werden, welches von einem Drehwinkel θ des Messobjekts abhängig ist. Ferner kann ein zweiter Messwert (Y) in Abhängigkeit von einem Magnetfeld bestimmt werden, das von dem Drehwinkel θ des Messobjekt abhängig ist. Im Idealfall entsprechen die beiden Messwerte periodischen Signalen in der Form X = A*cos(θ) und Y = A*sin(θ). Über die bekannte Vorschrift θ = atan(Y/X) kann dann auf den Drehwinkel θ des Messobjekts geschlossen werden.
Mit zunehmender Elektrifizierung in der Automobilindustrie werden die Auswirkungen unerwünschter Streufelder immer gravierender. Dies schränkt die erreichbare Genauigkeit herkömmlicher magnetischer Positions- oder Winkelsensoren ein und erfordert neue Konzepte, die als streufeldrobuste Positions- oder Drehwinkelsensoren bezeichnet werden.
Häufig verwendete streufeldrobuste Positions- oder Winkelsensoren weisen räumlich getrennte Sensorelemente auf. Als Sensorelement kann dabei jede Vorrichtung bezeichnet werden, mit der eine Magnetfeldkomponente (z.B. x-, y-, oder z-Komponente) gemessen werden kann. Typische Sensorelemente sind Hallplatten, vertikale Hall-Sonden, anisotrope Magnetwiderstände (AMR), Riesen-Magnetwiderstände (GMR), Tunnelmagnetwiderstände (TMR), etc. Mehrere Sensorelemente können eng beieinander platziert werden, um eine Impedanzanpassung, ein Signal-Rausch-Verhältnis, usw., zu verbessern. Eine solche Anordnung von mehreren Sensorelementen auf praktisch der gleichen Position kann als einzelnes Sensorelement im Streufeld-Sinn bezeichnet werden.
Einige herkömmliche streufeldrobuste Winkelsensoren für sog. End-of-Shaft-Anwendungen umfassen vier horizontale bzw. laterale Hallplatten, die sich an den Ecken eines gleichförmigen Kreuzes befinden. Alternativ können zum Beispiel auch drei laterale Hallplatten in einem Dreieck ausgerichtet werden. Die Drehachse z.B. einer Welle ist idealerweise so konzipiert, dass sie direkt durch die Mitte dieses Kreuzes/Dreiecks verläuft. Ein Magnet, der diametral oder antiparallel magnetisiert sein kann, kann am Ende der Welle montiert sein. Die Winkelgenauigkeit einer solchen Anordnung wird meist durch die Positioniertoleranz des Sensors stark eingeschränkt. Schon Verschiebungen bzw. Fehlausrichtungen von einem Zehntel des Magnetdurchmessers können die erreichbare Genauigkeit auf ca. 1° begrenzen.
In der Praxis lassen sich mechanische Fehlausrichtungen zwischen Sensorelementen und Messobjekt bzw. Magnet jedoch häufig nicht ganz vermeiden, so dass es zu unterschiedlichen Amplituden, Offsets und Phasenverschiebungen der periodischen Signale X und Y kommt, die wiederum zu fehlerhaften Winkelschätzungen führen können. Einige Ursachen für mechanische Fehlausrichtungen sind x-, y-Verschiebung zwischen Sensorelementen und Messobjekt bzw. Magnet, Luftspaltvariation (z-Verschiebung), Neigung verschiedener Arten (zum Beispiel Paket- bzw. Gehäuseneigung) und/oder Magnetisierungsneigung.
Die Druckschrift DE 10 2014 116 826 A1 beschreibt rechtwinklige gradiometrische Winkelsensoren und die Druckschrift EP 3 045 870 A1 offenbart eine Rotationswinkeldetektionsvorrichtung. Ferner beschreibt die Druckschrift US 2019 / 0 301 893 A1 ein System zur Messung von Winkelpositionen.
Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung Fehlausrichtungen zwischen Sensorelementen und Messobjekt zu kompensieren.
Zusammenfassung
Dies wird gelöst durch Vorrichtungen und Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Drehwinkels θ eines eine Orientierung eines Magnetfelds beeinflussenden Messobjekts mit Rotationsachse nominell in z-Richtung vorgeschlagen. Die z-Richtung versteht sich als eine Raumrichtung eines 3-dimensionalen Koordinatensystems (x, y, z). Die Vorrichtung umfasst wenigstens drei gleichmäßig um die Rotationsachse angeordnete erste Magnetfeldsensorelemente, welche jeweils für Magnetfeldkomponenten in z-Richtung sensitiv sind. Die Vorrichtung umfasst außerdem wenigstens drei gleichmäßig um die Rotationsachse angeordnete zweite Magnetfeldsensorelemente, welche jeweils für Magnetfeldkomponenten in einer x-y-Ebene sensitiv sind. Gleichmäßig um die Rotationsachse angeordnet kann auch als symmetrisch um die Rotationsachse angeordnet verstanden werden. Ferner ist eine Einrichtung (z.B. ein Prozessor) zum Ermitteln des Drehwinkels θ vorgesehen, die ausgebildet ist, den Drehwinkel θ basierend auf einem ersten Kombinationssignal ΔZn, das auf einer ersten Kombination von Messsignalen der ersten Magnetfeldsensorelemente beruht, einem zweiten Kombinationssignal ΔZd, das auf einer zweiten Kombination von Messsignalen der ersten Magnetfeldsensorelemente beruht, einem dritten Kombinationssignal ΔVn, das auf einer ersten Kombination von Messsignalen der zweiten Magnetfeldsensorelemente beruht und einem vierten Kombinationssignal ΔVd, das auf einer zweiten Kombination von Messsignalen der zweiten Magnetfeldsensorelemente beruht, zu ermitteln.
Es wird also vorgeschlagen, im Vergleich zu herkömmlichen streufeldrobusten Winkelsensoren, zusätzliche Magnetfeldsensorelemente zu verwenden. Herkömmliche streufeldrobuste Winkelsensoren bestehen aus Magnetfeldsensorelementen, die lediglich eine Out-of-Plane-Komponente (z.B. die z-Komponente) eines Magnetfeldes an verschiedenen räumlichen Positionen messen. Daraus lassen sich robuste Streufeldgrößen ableiten (z.B. Messung einer Differenzspannung), mit deren Hilfe eine Winkellage im streufeldrobusten Sinne bestimmt werden kann. Gemäß der vorliegenden Offenbarung werden zusätzliche Magnetfeldsensorelemente vorgeschlagen, die zusätzlich die In-Plane Komponente (z.B. in der x-y-Ebene) des Magnetfeldes an den verschiedenen räumlichen Positionen messen. Durch Verrechnung der resultierenden Messsignale kann dann der Drehwinkel θ geschätzt werden.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist die Einrichtung zum Ermitteln des Drehwinkels θ ferner ausgebildet, eine Verschiebung bzw. Fehlausrichtung (Rx, Ry) der Rotationsachse aus einer nominellen Nulllage basierend auf den vier Kombinationssignalen zu ermitteln. Mittels der zusätzlichen Magnetfeldsensorelemente kann also nicht nur der Drehwinkel θ, sondem auch die Verschiebung bzw. Fehlausrichtung (Rx, Ry) geschätzt werden. Die Schätzungen von Drehwinkel θ und Fehlausrichtung (Rx, Ry) können jeweils iterativ ermittelt werden und sich dabei wechselseitig beeinflussen.
Den Schätzungen von Drehwinkel θ und/oder Fehlausrichtung (Rx, Ry) können prinzipiell zahlreiche mathematische Modelle zugrunde gelegt werden, die geeignet sind tatsächliche Bewegungsabläufe (z.B. Taumelbewegungen) des Messobjekts zu modellieren. Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist jedes der Kombinationssignale durch eine jeweilige Fourierreihe zum Drehwinkel θ modellierbar. Fourierkoeffizienten jeder der Fourierreihen sind jeweils durch Taylorreihen zu der Verschiebung (Rx, Ry) der Rotationsachse aus der nominellen Nulllage modellierbar. Die Einrichtung zum Ermitteln des Drehwinkels θ ist bei solchen Ausführungsbeispielen ausgebildet, den Drehwinkel θ zusätzlich basierend auf vordefinierten Taylorkoeffizienten der Taylorreihen zu ermitteln. Die vordefinierten Taylorkoeffizienten können beispielsweise vorab durch Berechnung, Simulation und/oder Kalibrierung ermittelt und in einem Speicher abgelegt werden. Somit stehen diese für Berechnungen zur Schätzung des Drehwinkels θ und/oder der Fehlausrichtung (Rx, Ry) zu Verfügung.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen umfassen die ersten Magnetfeldsensorelemente (in z-Richtung sensitive) laterale Hall-Sensorelemente. Die zweiten Magnetfeldsensorelemente (in x-y-Ebene sensitiv) können vertikale Hall-Sensorelemente umfassen. Es sind natürlich auch andere Implementierungen denkbar, in denen die ersten und zweiten Magnetfeldsensorelemente zum Beispiel durch magnetoresistive Magnetfeldsensorelemente (z.B. AMR, GMR, TMR) mit unterschiedlichen Referenzmagnetisierungen implementiert sind.
Für die bereits erwähnten End-of-Shaft-Anwendungen kann das Messobjekt beispielsweise eine sich in z-Richtung erstreckende Welle mit einem an einem Ende der Welle montierten Magneten umfassen. Das Messobjekt selbst muss aber nicht notwendigerweise einen Magneten aufweisen. Es sind aus Ausführungsformen denkbar, bei denen das Messobjekt ein externes Magnetfeld abhängig von Drehwinkel θ verändert.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen sind N erste Magnetfeldsensorelemente nominell symmetrisch mit einem Winkelabstand von 360°/N um die Rotationsachse angeordnet. N zweite Magnetfeldsensorelemente sind ebenfalls nominell symmetrisch mit einem Winkelabstand von 360°/N um die Rotationsachse angeordnet. Nominell symmetrisch kann hier so verstanden werden als dass damit ideale Umstände - ohne Fehlausrichtungen - gemeint sind. Die ersten und zweiten Magnetfeldsensorelemente befinden sich im Wesentlichen an den gleichen Positionen. Bei N = 4 sind beispielsweise vier erste Magnetfeldsensorelemente nominell symmetrisch mit einem Winkelabstand von 90° um die Rotationsachse angeordnet. An den gleichen Winkelpositionen sind auch vier zweite Magnetfeldsensorelemente nominell symmetrisch mit einem Winkelabstand von 90° um die Rotationsachse angeordnet.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen sind vier erste Magnetfeldsensorelemente nominell symmetrisch mit einem Winkelabstand von 90° um die Rotationsachse angeordnet. Das erste Kombinationssignal ΔZn kann einer ersten Differenz zweier gewichteter Messsignale von im 180°-Winkel gegenüberliegenden ersten Magnetfeldsensorelementen entsprechen. Das zweite Kombinationssignal ΔZd kann einer zweiten Differenz zweier gewichteter Messsignale der anderen im 180°-Winkel gegenüberliegenden ersten Magnetfeldsensorelemente entsprechen. Gleichermaßen können vier zweite Magnetfeldsensorelemente nominell symmetrisch mit einem Winkelabstand von 90° um die Rotationsachse angeordnet sein. Das dritte Kombinationssignal ΔVn kann einer ersten Differenz zweier gewichteter Messsignale von im 180°-Winkel gegenüberliegenden zweiten Magnetfeldsensorelementen entsprechen. Das vierte Kombinationssignal ΔVd kann einer zweiten Differenz zweier gewichteter Messsignale der anderen im 180°-Winkel gegenüberliegenden zweiten Magnetfeldsensorelemente entsprechen.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen können drei erste Magnetfeldsensorelemente nominell symmetrisch mit einem Winkelabstand von 120° um die Rotationsachse angeordnet sein. Das erste Kombinationssignal ΔZn kann einer ersten Kombination dreier gewichteter Messsignale von im 120°-Winkel beabstandeten ersten Magnetfeldsensorelementen entsprechen. Das zweite Kombinationssignal ΔZd kann einer zweiten Kombination dreier gewichteter Messsignale der ersten Magnetfeldsensorelemente entsprechen. Gleichermaßen können drei zweite Magnetfeldsensorelemente mit einem Winkelabstand von 120° um die Rotationsachse angeordnet sein. Das dritte Kombinationssignal ΔVn kann einer ersten Kombination dreier gewichteter Messsignale von im 120°-Winkel beabstandeten zweiten Magnetfeldsensorelementen entsprechen. Das vierte Kombinationssignal ΔVd kann einer Kombination dreier gewichteter Messsignale der zweiten Magnetfeldsensorelemente entsprechen.
Wie oben bereits erwähnt wurde, ist gemäß manchen Ausführungsbeispielen jedes der Kombinationssignale durch eine jeweilige Fourierreihe zum Drehwinkel θ modellierbar. Als Fourierreihe bezeichnet man eine Reihenentwicklung einer periodischen, abschnittsweise stetigen Funktion in eine Funktionenreihe aus Sinus- und Kosinusfunktionen. Das erste Kombinationssignal ΔZn kann beispielsweise durch eine erste Fourierreihe zum Drehwinkel θ gemäß $Δ Z n = z_{n c} (R x, R y) \cdot cos θ + z_{n s} (R x, R y) \cdot sin θ + z_{n 0} (R x, R y),$
mit von der Verschiebung (Rx, Ry) der Rotationsachse abhängigen Fourierkoeffizienten z_nc(Rx, Ry), z_ns(Rx, Ry), z_n0(Rx, Ry) modelliert werden. Das zweite Kombinationssignal ΔZd kann durch eine zweite Fourierreihe zum Drehwinkel θ gemäß $Δ Z d = z_{d c} (R x, R y) \cdot cos θ + z_{d s} (R x, R y) \cdot sin θ + z_{d 0} (R x, R y),$
mit von der Verschiebung (Rx, Ry) der Rotationsachse aus der Nulllage abhängigen Fourierkoeffizienten z_dc(Rx, Ry), z_ds(Rx, Ry), z_d0(Rx, Ry) modelliert werden. Das dritte Kombinationssignal ΔVn kann durch eine dritte Fourierreihe zum Drehwinkel θ gemäß $Δ V n = v_{n c} (R x, R y) \cdot cos θ + v_{n s} (R x, R y) \cdot sin θ + v_{n 0} (R x, R y),$
mit von der Verschiebung (Rx, Ry) der Rotationsachse abhängigen Fourierkoeffizienten v_nc(Rx, Ry), v_ns(Rx, Ry), v_n0(Rx, Ry) modelliert werden. Das vierte Kombinationssignal ΔVd kann durch eine vierte Fourierreihe zum Drehwinkel θ gemäß $Δ V d = v_{d c} (R x, R y) \cdot cos θ + v_{d s} (R x, R y) \cdot sin θ + v_{d 0} (R x, R y),$
mit von der Verschiebung (Rx, Ry) der Rotationsachse abhängigen Fourierkoeffizienten v_dc(Rx, Ry), v_ds(Rx, Ry), v_d0(Rx, Ry) modelliert werden.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen können die Fourierkoeffizienten w_ij(Rx,Ry) mit w ∈ {v, z}, i ∈ {n, d} und j ∈ {c, s, 0} als Taylorreihen gemäß $w_{ij} (R x, R y) = w_{i j x x} \cdot R x^{2} + w_{i j x y} \cdot R x \cdot R y + w_{i j y y} \cdot R y^{2} + w_{i j x} \cdot R x + w_{i j y} \cdot R y + w_{i j 0}$
modelliert werden mit den vordefinierten Taylorkoeffizienten w_ijxx, w_ijxy, w_ijyy, w_ijx, w_ijy, w_ij0. Je nach Bewegung des Messobjekts, die modelliert werden soll, können auch hier andere Reihenentwicklungen in Frage kommen.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist die Einrichtung zum Ermitteln des Drehwinkels ausgebildet ist, um die obigen Gleichungen numerisch zu lösen, um Schätzwerte für den Drehwinkel θ und/oder die Verschiebung (Rx, Ry) der Rotationsachse zu ermitteln.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist die Einrichtung zum Ermitteln des Drehwinkels ausgebildet, um in einem initialen Berechnungsschritt einen initialen Schätzwert des Drehwinkels θ basierend auf der Annahme einer nicht vorhandenen Verschiebung (Rx, Ry) der Rotationsachse entsprechend der Nulllage und basierend auf dem ersten und zweiten Kombinationssignal ΔZn, ΔZd zu ermitteln. Die Einrichtung zum Ermitteln des Drehwinkels kann beispielsweise ausgebildet sein, um den initialen Schätzwert des Drehwinkels (θ) basierend auf $θ^{(0)} = atan (\frac{z_{d c}^{(0)} \cdot Δ Z n}{z_{n c}^{(0)} \cdot Δ Z d})$
zu ermitteln, wobei $z_{d c}^{(0)}, z_{n s}^{(0)}$
vorbestimmten Fourierkoeffizienten bei nicht vorhandener Verschiebung der Rotationsachse entsprechend der Nulllage entsprechen.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist die Einrichtung zum Ermitteln des Drehwinkels ausgebildet, um basierend auf einem aktuellen Schätzwert θ^(m) des Drehwinkels, dem dritten und vierten Kombinationssignal ΔVn, ΔVd und den vordefinierten Taylorkoeffizienten einen aktualisierten Schätzwert der Verschiebung (Rx^(m+1), Ry^(m+1)) der Rotationsachse zu ermitteln. Dazu kann die Einrichtung zum Ermitteln des Drehwinkels ausgebildet sein, um den aktualisierten Schätzwert der Verschiebung (Rx, Ry) der Rotationsachse basierend auf $(\begin{matrix} R x^{(m + 1)} \\ R y^{(m + 1)} \end{matrix}) = {(\begin{matrix} v_{n c x} \cdot cos θ^{(m)} & v_{n s y} \cdot sin θ^{(m)} \\ v_{d c x} \cdot cos θ^{(m)} & v_{d s y} \cdot sin θ^{(m)} \end{matrix})}^{- 1} \cdot (\begin{matrix} Δ V n \\ Δ V d \end{matrix})$
zu ermitteln, wobei m einen m-ten Iterationsschritt bedeutet.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist die Einrichtung zum Ermitteln des Drehwinkels ausgebildet, um basierend auf dem aktualisierten Schätzwert (Rx(^m+1), Ry(^m+1)) der Verschiebung aktualisierte Fourierkoeffizienten zu ermitteln und um basierend auf den aktualisierten Fourierkoeffizienten und dem ersten und zweiten Kombinationssignal (ΔZn, ΔZd) einen aktualisierten Schätzwert θ^(m+1) des Drehwinkels zu ermitteln. Beispielsweise kann die Einrichtung zum Ermitteln des Drehwinkels ausgebildet sein, um den aktualisierten Schätzwert des Drehwinkels (θ) basierend auf $(\begin{matrix} cos θ^{(m + 1)} \\ sin θ^{(m + 1)} \end{matrix}) = {(\begin{matrix} z_{n c}^{(m + 1)} & z_{n s}^{(m + 1)} \\ z_{d c}^{(m + 1)} & z_{d s}^{(m + 1)} \end{matrix})}^{- 1} \cdot (\begin{matrix} Δ Z n - z_{n 0}^{(m + 1)} \\ Δ Z d - z_{d 0}^{(m + 1)} \end{matrix})$
zu ermitteln, wobei m einen m-ten Iterationsschritt bedeutet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Ermitteln eines Drehwinkels θ eines eine Orientierung eines Magnetfelds beeinflussenden Messobjekts mit Rotationsachse in z-Richtung vorgeschlagen, wobei wenigstens drei erste Magnetfeldsensorelemente, welche jeweils für Magnetfeldkomponenten in z-Richtung sensitiv sind, gleichmäßig um die Rotationsachse angeordnet sind und wobei wenigstens drei zweite Magnetfeldsensorelemente, welche jeweils für Magnetfeldkomponenten in einer x-y-Ebene sensitiv sind, gleichmäßig um die Rotationsachse angeordnet sind. Das Verfahren umfasst ein Ermitteln eines ersten Kombinationssignals (ΔZn) basierend auf einer ersten Kombination von Messsignalen der ersten Magnetfeldsensorelemente, ein Ermitteln eines zweiten Kombinationssignals (ΔZd) basierend auf einer zweiten Kombination von Messsignalen der ersten Magnetfeldsensorelemente, ein Ermitteln eines dritten Kombinationssignals (ΔVn) basierend auf einer ersten Kombination von Messsignalen der zweiten Magnetfeldsensorelemente, ein Ermitteln eines vierten Kombinationssignals (ΔVd) basierend auf einer zweiten Kombination von Messsignalen der zweiten Magnetfeldsensorelemente, und ein Ermitteln des Drehwinkels θ basierend auf den vier Kombinationssignalen.
Mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung können Systemkosten für Streufeldanwendungen mit robuster Winkelmessung geringer gehalten werden, da die Verschiebungskompensation größere Ungenauigkeiten in der Mechanik tolerieren kann. Dadurch können die Fertigung und Ausrichtung einfacher und kostengünstiger werden.
Figurenliste
Einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren lediglich beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1A einen Simulationsaufbau mit vier lateralen Hallplatten Z1-Z4 und einem diametral magnetisierten Magneten; der Magnet ist um einen Vektor (Rx,Ry) in der x-y- Ebene aus der Mitte der Sensorelemente verschoben;
1B einen Fehler des rekonstruierten Winkels θ aufgrund der Verschiebung (Rx,Ry);
1C einen herkömmlichen streufeldrobusten Winkelsensor mit 4 Sensorelementen, welche die normal zur Sensorebene stehenden Magnetfeldkomponenten messen;
2A einen Aufbau mit um ein Messobjekt herum angeordneten vier ersten Magnetfeldsensorelementen und vier zweiten Magnetfeldsensorelementen;
2B einen streufeldrobusten Winkelsensor mit vier ersten Magnetfeldsensorelementen, welche normal zur Sensorebene stehende Magnetfeldkomponenten messen, und vier zweiten Magnetfeldsensorelementen, welche in der Sensorebene liegende Magnetfeldkomponenten messen;
3A einen Aufbau mit um ein Messobjekt herum angeordneten drei ersten Magnetfeldsensorelementen und drei zweiten Magnetfeldsensorelementen;
3B einen streufeldrobusten Winkelsensor mit drei ersten Magnetfeldsensorelementen, welche normal zur Sensorebene stehende Magnetfeldkomponenten messen, und drei zweiten Magnetfeldsensorelementen, welche in der Sensorebene liegende Magnetfeldkomponenten messen;
4 ein Beispiel für Taylorkoeffizienten, die aus numerischen Simulationen für ein beispielhaftes magneto-mechanisches System extrahiert wurden;
5 ein Beispiel eines ersten iterativen Prozesses, um Drehwinkel θ und Verschiebung (Rx, Ry) zu ermitteln;
6 ein Beispiel eines zweiten iterativen Prozesses, um Drehwinkel θ und Verschiebung (Rx, Ry) zu ermitteln;
7 Fehler des verschiebungskorrigierten Drehwinkels θ durch die Verschiebung bei Prozesses gemäß 5, und
8 Fehler des verschiebungskorrigierten Drehwinkels θ durch die Verschiebung bei Prozesses gemäß 6.

Beschreibung
Verschiedene Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen einige Beispiele dargestellt sind. In den Figuren können die Stärken von Linien, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung übertrieben sein.
Während sich weitere Beispiele für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignen, sind dementsprechend einige bestimmte Beispiele derselben in den Figuren gezeigt und werden nachfolgend ausführlich beschrieben. Allerdings beschränkt diese detaillierte Beschreibung weitere Beispiele nicht auf die beschriebenen bestimmten Formen. Weitere Beispiele können alle Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abdecken, die in den Rahmen der Offenbarung fallen. Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen beziehen sich in der gesamten Beschreibung der Figuren auf gleiche oder ähnliche Elemente, die bei einem Vergleich miteinander identisch oder in modifizierter Form implementiert sein können, während sie die gleiche oder eine ähnliche Funktion bereitstellen.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, die Elemente direkt, oder über ein oder mehrere Zwischenelemente, verbunden oder gekoppelt sein können. Wenn zwei Elemente A und B unter Verwendung eines „oder“ kombiniert werden, ist dies so zu verstehen, dass alle möglichen Kombinationen offenbart sind, d. h. nur A, nur B sowie A und B, sofern nicht explizit oder implizit anders definiert. Eine alternative Formulierung für die gleichen Kombinationen ist „zumindest eines von A und B“ oder „A und/oder B“. Das Gleiche gilt, mutatis mutandis, für Kombinationen von mehr als zwei Elementen.
Die Terminologie, die hier zum Beschreiben bestimmter Beispiele verwendet wird, soll nicht begrenzend für weitere Beispiele sein. Wenn eine Singularform, z. B. „ein, eine“ und „der, die, das“ verwendet wird und die Verwendung nur eines einzelnen Elements weder explizit noch implizit als verpflichtend definiert ist, können weitere Beispiele auch Pluralelemente verwenden, um die gleiche Funktion zu implementieren. Wenn eine Funktion nachfolgend als unter Verwendung mehrerer Elemente implementiert beschrieben ist, können weitere Beispiele die gleiche Funktion unter Verwendung eines einzelnen Elements oder einer einzelnen Verarbeitungsentität implementieren. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „aufweist“ und/oder „aufweisend“ bei Gebrauch das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/oder einer Gruppe derselben präzisieren, aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/einer Gruppe derselben ausschließen.
Sofern nicht anderweitig definiert, werden alle Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) hier in ihrer üblichen Bedeutung auf dem Gebiet verwendet, zu dem Beispiele gehören.
1A zeigt in Draufsicht ein magneto-mechanisches System 10 mit einem Messobjekt 11 in Form einer Welle mit einem Magneten 12 an deren Stirnseite. Um das Messobjekt 11 herum sind in dem dargestellten Beispiel vier Magnetfeldsensorelemente Z1, ..., Z4 angeordnet, um einen Drehwinkel θ des Messobjekts 11 basierend auf dem mit dem Messobjekt 11 rotierenden Magnetfeld zu ermitteln. Bei der Anordnung der 1A handelt es sich um eine eingangs bereits erwähnte herkömmliche streufeldrobuste Winkelsensoranordnung für sog. End-of-Shaft-Anwendungen mit vier gleichmäßig angeordneten Magnetfeldsensorelementen Z1, ..., Z4, die sich an den Ecken eines symmetrischen Kreuzes mit Zentrum 13 befinden. Alternativ können zum Beispiel auch drei laterale Magnetfeldsensorelemente in einem Dreieck ausgerichtet werden.
Idealerweise verläuft eine Drehachse 14 des Messobjekts 11 direkt durch das Zentrum 13 des Kreuzes/Dreiecks. In der Praxis lassen sich mechanische Fehlausrichtungen zwischen den Sensorelementen Z1, ..., Z4 und dem Messobjekt 11 jedoch häufig nicht ganz vermeiden. Die 1A zeigt eine Verschiebung bzw. Fehlausrichtung (Rx, Ry) der Wellendrehachse 14 aus der nominellen Nulllage bei 13. Je größer diese Verschiebung bzw. Fehlausrichtung (Rx, Ry) ist, desto größer sind auch die Fehler bei der Drehwinkelschätzung. Die 1B zeigt ein beispielhaftes Diagramm, wonach sich bei einer Fehlausrichtung von (Rx = 1mm, Ry = 1 mm) Winkelfehler von über 3° ergeben können. Für manch kritische Anwendung kann das inakzeptabel sein.
Fig. IC erläutert das Messprinzip des magneto-mechanisches Systems 10.
Das magneto-mechanisches System 10 mit den vier Magnetfeldsensorelementen Z1, ..., Z4 dient als Sensor Frontend 15. Die nominell symmetrisch mit einem Winkelabstand von 90° um die Rotationsachse (in z-Richtung) angeordneten Magnetfeldsensorelemente Z1, ..., Z4 sind jeweils für Magnetfeldkomponenten in z-Richtung B_z(r_i) in ihrem Ort r_i (i=1,...,4) sensitiv. Ein von einem Prozessor 16 gebildetes erstes Kombinationssignal ΔZn entspricht einer ersten Differenz (Z4-Z2) zweier Messsignale von im 180°-Winkel gegenüberliegenden ersten Magnetfeldsensorelementen Z2, Z4. Ein zweites von dem Prozessor 16 gebildete Kombinationssignal ΔZd entspricht einer zweiten Differenz (Z1-Z3) zweier Messsignale der anderen beiden im 180°-Winkel gegenüberliegenden ersten Magnetfeldsensorelemente Z1, Z3. Basierend auf den beiden Kombinationssignalen ΔZn, ΔZd kann der Prozessor 16 einen Schätzwert θ_est für den Drehwinkel des Messobjekts 11 beispielsweise gemäß θ_est = atan(ΔZn/ ΔZd) berechnen. Herkömmliche Korrekturen für Offset, Sensitivitätsmismatch zwischen Magnetfeldsensorelementen, Orthogonalität und Referenzwinkel können basierend auf einem Satz von Kompensationsparametern λ durchgeführt werden.
Mit den anhand der 1A-C erläuterten herkömmlichen Sensorvorrichtungen kann die Verschiebung bzw. Fehlausrichtung (Rx, Ry) der Wellendrehachse 14 aus der nominellen Nulllage bei 13 jedoch nicht kompensiert werden. Die vorliegende Offenbarung schlägt daher vor, die Verschiebung (Rx, Ry) der Wellendrehachse 14 bzw. des Magneten 12 von der zentralen Position 13 der Sensorelemente zu ermitteln und die Winkelschätzung basierend auf diesen Informationen zu kompensieren. Die 2A, 2B und 3A, 3B zeigen dazu mögliche Messsysteme gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung.
2A zeigt in Draufsicht ein magneto-mechanisches System 20, das sich von dem System 10 durch vier gleichmäßig um das nominelle Rotationszentrum 13 angeordnete zweite Magnetfeldsensorelemente X1, Y2, X3, Y4 unterscheidet. Die zweiten Magnetfeldsensorelemente X1, Y2, X3, Y4 befinden sich ebenfalls auf den Schenkeln des einheitlichen Kreuzes mit Zentrum 13 und damit an denselben Winkelpositionen wie die ersten Magnetfeldsensorelemente Z1, ..., Z4 und sind jeweils für Magnetfeldkomponenten in der x-y-Ebene (in-plane) sensitiv. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung umfassen also zusätzliche Magnetfeldsensorelemente, die die Komponenten des Magnetfeldes in der Ebene messen (z.B. X1 und X3 für Bx und Y2 und Y4 für By). Die ersten und zweiten Magnetfeldsensorelemente können sich im Wesentlichen an denselben Raumpositionen befinden.
2B erläutert das Messprinzip des magneto-mechanischen Systems 20.
Das magneto-mechanische System 20 mit den vier ersten Magnetfeldsensorelementen Z1, ..., Z4 und den vier zweiten Magnetfeldsensorelementen X1, Y2, X3, Y4 dient als Sensor Frontend 25. Die nominell symmetrisch mit einem Winkelabstand von 90° um das nominelle Rotationszentrum 13 angeordneten ersten Magnetfeldsensorelemente Z1, ..., Z4 sind jeweils für Magnetfeldkomponenten in z-Richtung B_z(r_i) an ihrem Ort r_i (i=1,...,4) sensitiv. Die ebenfalls nominell symmetrisch mit einem Winkelabstand von 90° und an denselben Winkelpositionen um das nominelle Rotationszentrum 13 angeordneten zweiten Magnetfeldsensorelemente X1, Y2, X3, Y4 sind jeweils für Magnetfeldkomponenten B_x(r_i) bzw. B_y(r_i) in der xy-Ebene an ihrem jeweiligen Ort r_l (i=1,...,4) sensitiv. Ein von einem Prozessor 26 gebildetes erstes Kombinationssignal ΔZn entspricht einer ersten Differenz (Z4-Z2) zweier Messsignale von im 180°-Winkel gegenüberliegenden ersten Magnetfeldsensorelementen Z2, Z4. Ein zweites von dem Prozessor 16 gebildetes Kombinationssignal ΔZd entspricht einer zweiten Differenz (Z1-Z3) zweier Messsignale der anderen beiden im 180°-Winkel gegenüberliegenden ersten Magnetfeldsensorelemente Z1, Z3. Ein drittes von dem von dem Prozessor 16 gebildetes Kombinationssignal ΔVn entspricht einer ersten Differenz (Y4-Y2) zweier Messsignale von im 180°-Winkel gegenüberliegenden zweiten Magnetfeldsensorelementen Y2, Y4. Ein viertes von dem von dem Prozessor 16 gebildetes Kombinationssignal ΔVd entspricht einer zweiten Differenz (X1-X3) zweier Messsignale der anderen im 180°-Winkel gegenüberliegenden zweiten Magnetfeldsensorelemente X1, X3. Wie im Nachfolgenden noch erläutert wird, kann der Prozessor 16 einen Schätzwert θ_est für den Drehwinkel des Messobjekts 11 basierend auf den vier Kombinationssignalen ΔZn, ΔZd, ΔVn, ΔVd berechnen. Optional kann der Prozessor 16 auch einen Schätzwert (Rx_est, Ry_est) für die Verschiebung der Rotationsachse 14 aus dem nominellen Rotationszentrum 13 basierend auf den vier Kombinationssignalen ermitteln.
3A zeigt ein weiteres magneto-mechanisches System 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das sich von dem System 20 dadurch unterscheidet, dass lediglich drei gleichmäßig um das nominelle Rotationszentrum 13 angeordnete erste Magnetfeldsensorelemente Z1, ..., Z3 und drei gleichmäßig um das nominelle Rotationszentrum 13 angeordnete zweite Magnetfeldsensorelemente V1, ..., V3 vorgesehen sind.
3B erläutert das Messprinzip des magneto-mechanisches Systems 30.
Das magneto-mechanische System 30 mit den drei ersten Magnetfeldsensorelementen Z1, Z2, Z3 und den drei zweiten Magnetfeldsensorelementen V1, V2, V3 dient als Sensor Frontend 35. Die nominell symmetrisch mit einem Winkelabstand von 120° um das nominelle Rotationszentrum 13 angeordneten ersten Magnetfeldsensorelemente Z1, Z2, Z3 sind jeweils für Magnetfeldkomponenten in z-Richtung B_z(r_i) an ihrem Ort r_i (i=1,...,3) sensitiv. Die ebenfalls nominell symmetrisch mit einem Winkelabstand von 120° und an denselben Winkelpositionen um das nominelle Rotationszentrum 13 angeordneten zweiten Magnetfeldsensorelemente V1, V2, V3 sind jeweils für Magnetfeldkomponenten B_v(r_i) in der xy-Ebene an ihrem jeweiligen Ort r_i (i=1,...,3) sensitiv. Ein von einem Prozessor 36 gebildetes erstes Kombinationssignal ΔZn entspricht einer ersten Kombination dreier gewichteter Messsignale der im 120°-Winkel beabstandeten ersten Magnetfeldsensorelemente. Ein zweites von dem Prozessor 36 gebildetes Kombinationssignal ΔZd entspricht einer zweiten Kombination dreier gewichteter Messsignale der ersten Magnetfeldsensorelemente. Ein drittes von dem von dem Prozessor 36 gebildetes Kombinationssignal ΔVn entspricht einer ersten Kombination dreier gewichteter Messsignale der im 120°-Winkel beabstandeten zweiten Magnetfeldsensorelemente V1, V2, V3. Ein viertes von dem von dem Prozessor 36 gebildetes Kombinationssignal ΔVd entspricht einer zweiten Kombination dreier gewichteter Messsignale der zweiten Magnetfeldsensorelemente. Wie im Nachfolgenden noch erläutert wird, kann der Prozessor 36 den Schätzwert θ_est für den Drehwinkel des Messobjekts 11 basierend auf den vier Kombinationssignalen ΔZn, ΔZd, ΔVn, ΔVd berechnen. Optional kann der Prozessor 16 auch einen Schätzwert (Rx_est, Ry_est) für die Verschiebung der Rotationsachse 14 aus dem nominellen Rotationszentrum 13 basierend auf den vier Kombinationssignalen ermitteln.
Die Ausgabe (z.B. Änderung der Hallspannung oder des spezifischen Widerstandes) eines einzelnen Sensorelements, z.B. Wi, hängt im Allgemeinen von einer Komponente des resultierenden Magnetfeldes B(r_i) an der Position r_i dieses Sensorelements und von weiteren Parametern λ_i ab, z.B. des durch das Sensorelement fließenden Versorgungsstromes. Die relevante Komponente des Magnetfeldes kann berechnet werden, indem man das Skalarprodukt des resultierenden Magnetfeldes mit der empfindlichen Richtung e_i des Sensorelements nimmt. So finden wir für jedes Sensorelement die Gleichung $W i = f (e_{i} \cdot B (r_{i}), λ_{i}),$
wobei die Funktion f die Reaktion des Sensorelements modelliert. Für z.B. ein Hallelement könnte f als lineare Funktion mit einer bestimmten Empfindlichkeit und einem bestimmten Offset modelliert werden. Für laterale Hallplatten, die empfindlich auf die Out-of-Plane-Komponente (z-Komponente) reagieren, reduziert sich die Gleichung auf Wi = Zi = f(B_z(r_i), λ_i). Für vertikale Hallplatten, die in x-Richtung empfindlich sind, reduziert sich die Gleichung auf Wi = X_i = f(B_x(r_i), λ_i). Ebenso finden wir für vertikale Hallplatten, die in y-Richtung empfindlich sind, Wi = Yi = f(B_y(r_i), λ_i). Es wird davon ausgegangen, dass herkömmliche Kompensationen der Sensorelemente bekannt sind, weshalb im Nachfolgenden Analysefragen bezüglich der Unterschiede in Bezug auf Empfindlichkeit, Offset und Phase vernachlässigt werden.
Für herkömmliche streufeldrobuste Winkelsensoren bestimmt man aus den Ausgängen der einzelnen Sensorelemente einige streufeldrobuste Zwischengrößen ΔWn und ΔWd (n für Zähler und d für Nenner). Dies kann im analogen oder im digitalen Bereich erfolgen. Für Sensoren mit vier Sensorelementen (Messung von Z1, Z2, Z3 und Z4) können streufeldrobuste Kombinationssignale ΔZn = Z4-Z2 und ΔZd/ = Z1-Z3 im analogen Bereich mit Differenzverstärkern oder differentiellen Eingangs-ADCs bestimmt werden. Für Sensoren mit drei Sensorelementen (Messung von Z1, Z2 und Z3) können entsprechende streufeldrobuste Kombinationssignale als ΔZn = (Z3-Z2)*sqrt(3) und ΔZd = (2*Z1-Z2-Z3) ermittelt werden. Daher sind sie etwas komplexer und eine digitale Berechnung könnte geeigneter sein. Aus diesen ersten und zweiten streufeldrobusten Kombinationssignalen ΔZn und ΔZd kann der Drehwinkel gemäß $θ_{e s t} = atan (\frac{Δ Z n}{Δ Z d})$
berechnet werden. Die Arkustangensfunktion atan(n/d) kann durch atan2(n,d) ersetzt werden, um die vollen 360° zu erhalten.
Für die hier vorgeschlagenen streufeldrobusten, verschiebungskompensierten Winkelsensoren können entsprechende streufeldrobuste Kombinationssignale bestimmt werden. Für einen Winkelsensor, der 4*2 Magnetfeldsensorelemente umfasst, können die vier Kombinationssignale gemäß $Δ Z n = Z 4 - Z 2,$
$Δ Z d = Z 1 - Z 3,$
$Δ V n = Y 4 - Y 2$
und $Δ V d = X 1 - X 3$
definiert werden. Für einen Winkelsensor, der 3*2 Magnetfeldsensorelemente umfasst, können die vier Kombinationssignale gemäß $Δ Z n = (Z 3 - Z 2) * sqrt (3),$
$Δ Z d = (2 * Z 1 - Z 2 - Z 3),$
$Δ V n = (V 3 - V 2) * sqrt (3)$
und $Δ V d = (2 * V 1 - V 2 - V 3)$
definiert werden.
In Winkelanwendungen können diese Kombinationssignale von einer Fourier-Reihe erster Ordnung im Winkel θ recht gut beschrieben werden, wobei die Fourier-Koeffizienten von der Verschiebung (Rx, Ry) des Magneten 12 aus dem nominellen Rotationszentrum 13 abhängen. Gemäß manchen Ausführungsbeispielen können die vier Kombinationssignale gemäß $Δ Z n = z_{n c} (R x, R y) \cdot cos θ + z_{n s} (R x, R y) \cdot sin θ + z_{n 0} (R x, R y),$
$Δ Z d = z_{d c} (R x, R y) \cdot cos θ + z_{d s} (R x, R y) \cdot sin θ + z_{d 0} (R x, R y),$
$Δ V n = v_{n c} (R x, R y) \cdot cos θ + v_{n s} (R x, R y) \cdot sin θ + v_{n 0} (R x, R y),$
$Δ V d = v_{d c} (R x, R y) \cdot cos θ + v_{d s} (R x, R y) \cdot sin θ + v_{d 0} (R x, R y),$
modelliert werden.
Die Fourierkoeffizienten w_ij(Rx, Ry) mit w ∈ {v, z}, i ∈ {n, d} und j ∈ {c, s, 0} der obigen Fourier-Reihen erster Ordnung können gemäß manchen Ausführungsbeispielen jeweils als Taylorreihe zweiter Ordnung in der Verschiebung (Rx, Ry) modelliert werden: $w_{ij} (R x, R y) = w_{i j x x} \cdot R x^{2} + w_{i j x y} \cdot R x \cdot R y + w_{i j y y} \cdot R y^{2} + w_{i j x} \cdot R x + w_{i j y} \cdot R y + w_{i j 0} .$
Für symmetrische Geometrien der Magnetfeldsensorelemente verschwinden die meisten der Taylor-Koeffizienten entweder oder hängen direkt von anderen Taylor-Koeffizienten ab. Daher sind für symmetrische Geometrien gegebenenfalls nur wenige Koeffizienten erforderlich, um die Systemreaktion richtig zu beschreiben. Die 4 zeigt dazu ein Beispiel für Taylorkoeffizienten, die aus numerischen Simulationen für ein spezielles magneto-mechanisches System extrahiert wurden. In diesem System sind lediglich 12 Koeffizienten (z_dcxx = z_nsyy; z_nsxx = z_dcyy; z_dsxy = z_ncxy; v_dcx = -v_nsy, v_ncx = -v_dsy; und z_dc0 = z_ns0) von den insgesamt 72 Koeffizienten ungleich Null, und lediglich 6 Koeffizienten sind unabhängig.
Diese wenigen Taylorkoeffizienten können vorab aus Berechnungen, Gerätesimulationen, Charakterisierung oder Kalibrierung bestimmt werden. Für die Charakterisierung und Kalibrierung kann man beispielsweise die Kombinationssignale ΔZn, ΔZd, ΔVn und ΔVd für jeweils mindestens eine volle Umdrehung des Messobjekts 11 bei unterschiedlichen, vordefinierten Verschiebungen (Rx, Ry) messen. Dann kann der beste Satz von Taylor-Koeffizienten ermittelt werden, indem man diese Daten mit dem Modell, beschrieben durch die Gleichungen (3) und (4), abgleicht. Die so ermittelten Taylorkoeffizienten können dann beispielsweise in einem Speicher, auf den der Prozessor 26, 36 Zugriff hat, abgelegt werden.
Für höhere Genauigkeiten können natürlich auch präzisere Formulierungen bzw. Modelle gewählt werden. Dazu könnten nichtlineare Übertragungskurven für die Reaktion eines Sensorelements, Offset und Empfindlichkeitskompensation gehören, die von Temperatur und mechanischer Belastung abhängen können.
Sobald die relevanten Koeffizienten verfügbar sind, können Drehwinkel θ und Verschiebung (Rx, Ry) für jeden verfügbaren Satz von Messungen bzw. Kombinationssignalen ΔZn, ΔZd, ΔVn und ΔVd geschätzt werden. Das Schätzen von Drehwinkel θ und Verschiebung (Rx, Ry) entspricht der Umkehrung des Systems der nichtlinearen Gleichungen (3)-(4). Aus der Literatur sind dazu verschiedene numerische Methoden zur Lösung solcher Gleichungssysteme bekannt. Nachfolgend werden zwei beispielhafte Methoden näher erläutert, die für die jeweilige Aufgabe gut geeignet erscheinen. Solange die Verschiebungen relativ klein sind, sind iterative Prozesse gut geeignet, dieses Gleichungssystem zu invertieren.
Ein erster iterativer Prozess 50, um Drehwinkel θ und Verschiebung (Rx, Ry) zu ermitteln, ist in der 5 dargestellt.
Zunächst werden bei 51 für einen noch unbekannten Drehwinkel 0 die Kombinationssignale ΔZn, ΔZd, ΔVn und ΔVd aus den Messsignalen der ersten und zweiten Magnetfeldsensorelemente ermittelt. Bei 52 wird ein Iterationszähler auf null gesetzt, m = 0. Unter der initialen Annahme, dass die Verschiebungen Rx^(m) = Ry^(m) = 0 sind, kann eine erste Schätzung θ^(m) für den Drehwinkel berechnet werden. Aus 4 ist ersichtlich, dass nur z_dc ^(m) = z_dc(0,0) und z_ns ^(m) = z_ns(0,0) ungleich Null sind, während alle anderen Fourier-Koeffizienten für Rx^(m) = Ry^(m) = 0 verschwinden, so dass die anfängliche Schätzung θ⁽⁰⁾ (0 Iterationen) für den Winkel gegeben ist durch $θ^{(0)} = atan (\frac{z_{d c}^{(0)} \cdot Δ Z n}{z_{n s}^{(0)} \cdot Δ Z d}) = atan (\frac{sin θ^{(0)}}{cos θ^{(0)}}) .$
Diese anfängliche Schätzung θ⁽⁰⁾ für den Winkel kann dann verwendet werden, um bei 53 die Schätzwerte für die Verschiebungen Rx^(m+1) und Ry^(m+1) zu aktualisieren. Aus 4 geht hervor, dass für ΔVn und ΔVd nur die linearen Taylor-Koeffizienten ν_dcx = -ν_nsy, ν_ncx = -ν_dsy ungleich Null sind. Somit kann das lineare folgende Gleichungssystem $(\begin{matrix} R x^{(m + 1)} \\ R y^{(m + 1)} \end{matrix}) = {(\begin{matrix} v_{n c x} \cdot cos θ^{(m)} & v_{n s y} \cdot sin θ^{(m)} \\ v_{d c x} \cdot cos θ^{(m)} & v_{d s y} \cdot sin θ^{(m)} \end{matrix})}^{- 1} \cdot (\begin{matrix} Δ V n \\ Δ V d \end{matrix})$
berechnet werden. Offensichtlich ist die Matrixinversion problematisch, wenn θ^(m) nahe an ganzzahligen Vielfachen von 90° liegt. In solchen Fällen wird die Konditionszahl der Matrix unannehmbar groß und Schätzungen von Rx (für θ^(m) nahe ±90°) oder Ry (für θ^(m) nahe 0° und 180°) werden unzuverlässig. Ein möglicher Ansatz, um mit solchen Situationen umzugehen, besteht darin, unzuverlässige Schätzungen (Rx^(m+1) oder Ry^(m+1)) auf null zu setzen. Dadurch können Instabilitäten beseitigt werden. Allerdings wird dadurch auch eine genaue Verschiebungskompensation in Fällen verhindert, in denen tatsächlich beide Verschiebungen Rx und Ry ungleich Null sind. Solange eine der Verschiebungen Rx oder Ry klein genug ist, leistet das Verfahren jedoch gute Ergebnisse (siehe 7). Ein zweiter möglicher Ansatz besteht darin, die Verschiebungsschätzungen zwischen mehreren Messungen zu speichern und nur solche Verschiebungen zu aktualisieren, die hinreichend genau geschätzt werden können.
Bei 54 wird eine aktualisierte Schätzung θ^(m+1) für den Winkel mit den aktualisierten Verschiebungen Rx^(m+1) und Ry^(m+1) aus 53 ermittelt. Zu diesem Zweck können die Taylor-Koeffizienten z_ij ^(m+1) = z_ij(Rx^(m+1),Ry^(m+1)), mit i ∈ {n , d} , und j∈ {c,s,0} unter Verwendung von Gleichung (4) berechnet werden. Das Einfügen dieser Taylor-Koeffizienten in Gleichung (3) ergibt das zu berechnende lineare Gleichungssystem $(\begin{matrix} cos θ^{(m + 1)} \\ sin θ^{(m + 1)} \end{matrix}) = {(\begin{matrix} z_{n c}^{(m + 1)} & z_{n s}^{(m + 1)} \\ z_{d c}^{(m + 1)} & z_{d s}^{(m + 1)} \end{matrix})}^{- 1} \cdot (\begin{matrix} Δ Z n - z_{n 0}^{(m + 1)} \\ Δ Z d - z_{d 0}^{(m + 1)} \end{matrix}) .$
Die 2x2 Matrixinversion ist einfach, da die Konditionszahl der Matrix nahe eins ist (die Koeffizienten z_ns und z_dc dominieren bei relativ kleinen Verschiebungen). Aus der Lösung von Gleichung (7) kann die aktualisierte Schätzung θ^(m+1) für den Winkel gemäß $θ^{(m + 1)} = atan (\frac{sin θ^{(m + 1)}}{cos θ^{(m + 1)}})$
ermittelt werden.
Bei 55 wird geprüft, ob eine maximale Anzahl N an Iterationen erreicht wurde. Ist dies nicht der Fall, wird der Iterationszähler um eins erhört, m = m+1, und bei 53 fortgefahren. Bei relativ kleinen Verschiebungen Rx und Ry ergeben bereits einige wenige Iterationen eine gute Genauigkeit. Wurde die maximale Anzahl N an Iterationen erreicht, werden bei 56 die Schätzwerte θ^(m) Rx^(m) und Ry^(m) ausgegeben.
Bei vielen Winkelanwendungen ändert sich die Winkelposition viel schneller als die Verschiebungen (die unbeabsichtigten Ungenauigkeiten Rx und Ry). Es kann daher genügen, die Verschiebungsschätzung im Rahmen von Mehrfachmessungen nur schrittweise zu aktualisieren und alte Verschiebungsschätzungen beizubehalten, wenn die jüngste Berechnung unzuverlässig ist. Dies kann gemäß einem in 6 dargestellten iterativen Prozess 60 umgesetzt werden.
Anfänglich werden bei 61 wieder verschwindende Verschiebungen Rx^est = Ry^est = 0 angenommen. Mit einem bei 62 verfügbaren ersten Satz von Messergebnissen kann bei 63 eine vorläufige Winkelschätzung θ^est= θ⁽⁰⁾ nach Gl. (5) berechnet werden. Danach können bei 64 die Verschiebungen Rx^est = Rx^(m+1) und Ry^est = Ry^(m+1) gemäß Gl. (6) aktualisiert werden, sofern ihre Werte für die Matrixinversion zuverlässig genug sind. Das bedeutet zum Beispiel, Rx^est wird aktualisiert, wenn θ^est sich ausreichend von ±90° unterscheidet, und Ry^est wird aktualisiert, wenn θ^est sich ausreichend von 0° oder 180° unterscheidet. Basierend darauf können dann gemäß Gl. (7) und (8) die relevanten Taylor-Koeffizienten und ein aktualisierter (und bereits endgültiger) Winkelschätzwert θ^est = θ^(m+1) berechnet werden. Mit dem nächsten verfügbaren Satz von Messergebnissen bzw. Kombinationssignalen ΔZn, ΔZd, ΔVn und ΔVd wird bei 62 fortgefahren, um den Winkelschätzwert θ^est zu aktualisieren. Auf diese Weise können die Verschiebungsschätzung bei jedem neuen Satz von Messergebnissen iterativ aktualisiert werden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit zusätzlicher Iterationen für eine höhere Präzision. Darüber hinaus werden nur zuverlässige Verschiebungsschätzer berücksichtigt.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen können die Verschiebungsschätzungen zwischen verschiedenen Messungen gemittelt werden, um ihre Genauigkeit zu erhöhen. Dies könnte beispielsweise mit digitaler IIR- oder FIR-Filterung erreicht werden. Somit würden die Verschiebungen über eine Filterfunktion aktualisiert, z.B. [Rx^est, state] = filter (Rx^(m+1), state), wiederum nur bei zuverlässigen Werten. Die Filterfunktion könnte den Einfluss von Messrauschen auf die Verschiebungsschätzungen begrenzen.
Mögliche Ergebnisse des iterativen Verfahrens 60 sind in 8 gezeigt. Der simulierte Magnet hat einen Radius von 3 mm. Die lateralen Hallelemente befinden sich 1 mm von der Mitte der Sensorelemente entfernt.
Gegenüber herkömmlichen Winkelsensorkonzepte umfassen die hierin beschriebenen streufeldrobusten, verschiebungskompensierten Winkelsensorkonzepte zusätzliche Sensorelemente, die Komponenten des Magnetfeldes in der Ebene (z.B. Bx und By) messen. Aus allen verfügbaren Sensorelementen werden streufeldrobuste Größen abgeleitet, um die Winkellage und den Verschiebungsvektor im streufeldrobusten Sinne zu bestimmen. Dadurch kann die Winkelposition auch dann genau bestimmt werden, wenn der Magnet aus seiner optimalen Position mit den Sensorelementen verschoben wird und/oder ein homogenes Störfeld anliegt. Ebenso können drei Freiheitsgrade eines Festkörpers (Magneten) bestimmt werden: Eine Winkelrotation θ plus eine zweidimensionale Verschiebung (Rx,Ry).
Die Aspekte und Merkmale, die zusammen mit einem oder mehreren der vorher detaillierten Beispiele und Figuren beschrieben sind, können auch mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden, um ein gleiches Merkmal des anderen Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal in das andere Beispiel zusätzlich einzuführen.
Beispiele können weiterhin ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen eines oder mehrerer der obigen Verfahren sein oder sich darauf beziehen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder Prozessor ausgeführt wird. Schritte, Operationen oder Prozesse von verschiedenen, oben beschriebenen Verfahren können durch programmierte Computer oder Prozessoren ausgeführt werden. Beispiele können auch Programmspeichervorrichtungen, z. B. Digitaldatenspeichermedien, abdecken, die maschinen-, prozessor- oder computerlesbar sind und maschinenausführbare, prozessorausführbare oder computerausführbare Programme von Anweisungen codieren. Die Anweisungen führen einige oder alle der Schritte der oben beschriebenen Verfahren aus oder verursachen deren Ausführung. Die Programmspeichervorrichtungen können z. B. Digitalspeicher, magnetische Speichermedien wie beispielsweise Magnetplatten und Magnetbänder, Festplattenlaufwerke oder optisch lesbare Digitaldatenspeichermedien umfassen oder sein. Weitere Beispiele können auch Computer, Prozessoren oder Steuereinheiten, die zum Ausführen der Schritte der oben beschriebenen Verfahren programmiert sind, oder (feld-)programmierbare Logik-Arrays ((F)PLAs = (Field) Programmable Logic Arrays) oder (feld-)programmierbare Gate-Arrays ((F)PGA = (Field) Programmable Gate Arrays), die zum Ausführen der Schritte der oben beschriebenen Verfahren programmiert sind, abdecken.
Durch die Beschreibung und Zeichnungen werden nur die Grundsätze der Offenbarung dargestellt. Weiterhin sollen alle hier aufgeführten Beispiele grundsätzlich ausdrücklich nur illustrativen Zwecken dienen, um den Leser beim Verständnis der Grundsätze der Offenbarung und der durch den (die) Erfinder beigetragenen Konzepte zur Weiterentwicklung der Technik zu unterstützen. Alle hiesigen Aussagen über Grundsätze, Aspekte und Beispiele der Offenbarung sowie konkrete Beispiele derselben umfassen deren Entsprechungen.
Ein als „Mittel zum...“ Ausführen einer bestimmten Funktion bezeichneter Funktionsblock kann sich auf eine Schaltung beziehen, die ausgebildet ist zum Ausführen einer bestimmten Funktion. Somit kann ein „Mittel für etwas“ als ein „Mittel ausgebildet für oder geeignet für etwas“ implementiert sein, z. B. ein Bauelement oder eine Schaltung ausgebildet für oder geeignet für die jeweilige Aufgabe.
Funktionen verschiedener in den Figuren gezeigter Elemente einschließlich jeder als „Mittel“, „Mittel zum Bereitstellen eines Signals“, „Mittel zum Erzeugen eines Signals“, etc. bezeichneter Funktionsblöcke kann in Form dedizierter Hardware, z. B „eines Signalanbieters“, „einer Signalverarbeitungseinheit“, „eines Prozessors“, „einer Steuerung“ etc. sowie als Hardware fähig zum Ausführen von Software in Verbindung mit zugehöriger Software implementiert sein. Bei Bereitstellung durch einen Prozessor können die Funktionen durch einen einzelnen dedizierten Prozessor, durch einen einzelnen gemeinschaftlich verwendeten Prozessor oder durch eine Mehrzahl von individuellen Prozessoren bereitgestellt sein, von denen einige oder von denen alle gemeinschaftlich verwendet werden können. Allerdings ist der Begriff „Prozessor“ oder „Steuerung“ bei Weitem nicht auf ausschließlich zur Ausführung von Software fähige Hardware begrenzt, sondern kann Digitalsignalprozessor-Hardware (DSP-Hardware; DSP = Digital Signal Processor), Netzprozessor, anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC = Application Specific Integrated Circuit), feldprogrammierbare Logikanordnung (FPGA = Field Programmable Gate Array), Nurlesespeicher (ROM = Read Only Memory) zum Speichern von Software, Direktzugriffsspeicher (RAM = Random Access Memory) und nichtflüchtige Speichervorrichtung (storage) umfassen. Sonstige Hardware, herkömmliche und/oder kundenspezifische, kann auch eingeschlossen sein.
Ein Blockdiagramm kann zum Beispiel ein grobes Schaltdiagramm darstellen, das die Grundsätze der Offenbarung implementiert. Auf ähnliche Weise können ein Flussdiagramm, ein Ablaufdiagramm, ein Zustandsübergangsdiagramm, ein Pseudocode und dergleichen verschiedene Prozesse, Operationen oder Schritte repräsentieren, die zum Beispiel im Wesentlichen in computerlesbarem Medium dargestellt und so durch einen Computer oder Prozessor ausgeführt werden, ungeachtet dessen, ob ein solcher Computer oder Prozessor explizit gezeigt ist. In der Beschreibung oder in den Patentansprüchen offenbarte Verfahren können durch ein Bauelement implementiert werden, das ein Mittel zum Ausführen eines jeden der jeweiligen Schritte dieser Verfahren aufweist.
Es versteht sich, dass die Offenbarung mehrerer, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte, Prozesse, Operationen oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden soll, sofern dies nicht explizit oder implizit anderweitig, z. B. aus technischen Gründen, angegeben ist. Daher werden diese durch die Offenbarung von mehreren Schritten oder Funktionen nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Ferner kann bei einigen Beispielen ein einzelner Schritt, Funktion, Prozess oder Operation mehrere Teilschritte, -funktionen, -prozesse oder -operationen einschließen und/oder in dieselben aufgebrochen werden. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts sein, sofern sie nicht explizit ausgeschlossen sind.
Weiterhin sind die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Während jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte 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 umfassen können. Solche Kombinationen werden hier explizit 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 gemacht ist.

Claims

Vorrichtung (20; 30) zum Ermitteln eines Drehwinkels (θ) eines eine Orientierung eines Magnetfelds beeinflussenden Messobjekts (11; 12) mit Rotationsachse in z-Richtung, die Vorrichtung (20; 30) umfassend: wenigstens drei gleichmäßig um die Rotationsachse (13) angeordnete erste Magnetfeldsensorelemente (Z1; Z2; Z3; Z4), welche jeweils für Magnetfeldkomponenten in z-Richtung sensitiv sind; wenigstens drei gleichmäßig um die Rotationsachse angeordnete zweite Magnetfeldsensorelemente (X1; Y2; X3; Y4; V1; V2; V3), welche jeweils für Magnetfeldkomponenten in einer x-y-Ebene sensitiv sind; eine Einrichtung (26; 36) zum Ermitteln des Drehwinkels (θ) basierend auf einem ersten Kombinationssignal (ΔZn), das auf einer ersten Kombination von Messsignalen der ersten Magnetfeldsensorelemente beruht, einem zweiten Kombinationssignal (ΔZd), das auf einer zweiten Kombination von Messsignalen der ersten Magnetfeldsensorelemente beruht, einem dritten Kombinationssignal (ΔVn), das auf einer ersten Kombination von Messsignalen der zweiten Magnetfeldsensorelemente beruht, einem vierten Kombinationssignal (ΔVd), das auf einer zweiten Kombination von Messsignalen der zweiten Magnetfeldsensorelemente beruht.
Vorrichtung (20; 30) nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (26; 36) zum Ermitteln des Drehwinkels (θ) ferner ausgebildet ist, eine Verschiebung (Rx, Ry) der Rotationsachse aus einer Nulllage basierend auf den vier Kombinationssignalen zu ermitteln.
Vorrichtung (20; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes der Kombinationssignale durch eine jeweilige Fourierreihe zum Drehwinkel (θ) modellierbar ist, und wobei Fourierkoeffizienten jeder der Fourierreihen jeweils durch Taylorreihen zu einer Verschiebung (Rx, Ry) der Rotationsachse aus einer Nulllage modellierbar sind, und wobei die Einrichtung (26; 36) zum Ermitteln des Drehwinkels ausgebildet ist, den Drehwinkel zusätzlich basierend auf vordefinierten Taylorkoeffizienten der Taylorreihen zu ermitteln.
Vorrichtung (20; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Messobjekt (11; 12) eine sich in z-Richtung erstreckende Welle mit einem an einem Ende der Welle montierten Magneten umfasst.
Vorrichtung (20; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei N erste Magnetfeldsensorelemente nominell symmetrisch mit einem Winkelabstand von 360°/N um die Rotationsachse angeordnet sind und N zweite Magnetfeldsensorelemente nominell symmetrisch mit einem Winkelabstand von 360°/N um die Rotationsachse angeordnet sind.
Vorrichtung (20; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vier erste Magnetfeldsensorelemente (Z1; Z2; Z3; Z4) nominell symmetrisch mit einem Winkelabstand von 90° um die Rotationsachse angeordnet sind, und wobei das erste Kombinationssignal (ΔZn) einer ersten Differenz zweier Messsignale von im 180°-Winkel gegenüberliegenden ersten Magnetfeldsensorelementen entspricht und das zweite Kombinationssignal (ΔZd) einer zweiten Differenz zweier Messsignale der anderen im 180°-Winkel gegenüberliegenden ersten Magnetfeldsensorelemente entspricht, wobei vier zweite Magnetfeldsensorelemente (X1; Y2; X3; Y4) mit einem Winkelabstand von 90° um die Rotationsachse angeordnet sind, und wobei das dritte Kombinationssignal (ΔVn) einer ersten Differenz zweier Messsignale von im 180°-Winkel gegenüberliegenden zweiten Magnetfeldsensorelementen entspricht und das vierte Kombinationssignal (ΔVd) einer zweiten Differenz zweier Messsignale der anderen im 180°-Winkel gegenüberliegenden zweiten Magnetfeldsensorelemente entspricht.
Vorrichtung (20; 30) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei drei erste Magnetfeldsensorelemente (Z1; Z2; Z3) nominell symmetrisch mit einem Winkelabstand von 120° um die Rotationsachse angeordnet sind, und wobei das erste Kombinationssignal (ΔZn) einer ersten Kombination dreier gewichteter Messsignale von im 120°-Winkel beabstandeten ersten Magnetfeldsensorelementen entspricht und das zweite Kombinationssignal (ΔZd) einer zweiten Kombination dreier gewichteter Messsignale der ersten Magnetfeldsensorelemente entspricht, wobei drei zweite Magnetfeldsensorelemente (V1; V2, V3) mit einem Winkelabstand von 120° um die Rotationsachse angeordnet sind, und wobei das dritte Kombinationssignal (ΔVn) einer ersten Kombination dreier gewichteter Messsignale von im 120°-Winkel beabstandeten zweiten Magnetfeldsensorelementen entspricht und das vierte Kombinationssignal (ΔVd) einer Differenz dreier gewichteter Messsignale der zweiten Magnetfeldsensorelemente entspricht.
Vorrichtung (20; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Kombinationssignal (ΔZn) durch eine erste Fourierreihe zum Drehwinkel (θ) gemäß $Δ Z n = z_{n c} (R x, R y) \cdot cos θ + z_{n s} (R x, R y) \cdot sin θ + z_{n 0} (R x, R y),$
mit von der Verschiebung (Rx, Ry) der Rotationsachse abhängigen Fourierkoeffizienten z_nc(Rx, Ry), z_ns(Rx, Ry), z_n0(Rx, Ry) modellierbar ist, wobei das zweite Kombinationssignal (ΔZd) durch eine zweite Fourierreihe zum Drehwinkel (θ) gemäß $Δ Z d = z_{d c} (R x, R y) \cdot cos θ + z_{d s} (R x, R y) \cdot sin θ + z_{d 0} (R x, R y),$
mit von der Verschiebung (Rx, Ry) der Rotationsachse aus der Nulllage abhängigen Fourierkoeffizienten z_dc(Rx, Ry), z_ds(Rx, Ry), z_d0(Rx, Ry) modellierbar ist, wobei das dritte Kombinationssignal (ΔVn) durch eine dritte Fourierreihe zum Drehwinkel (θ) gemäß $Δ V n = v_{n c} (R x, R y) \cdot cos θ + v_{n s} (R x, R y) \cdot sin θ + v_{n 0} (R x, R y),$
mit von der Verschiebung (Rx, Ry) der Rotationsachse abhängigen Fourierkoeffizienten v_nc(Rx, Ry), v_ns(Rx, Ry), v_n0(Rx, Ry) modellierbar ist, wobei das vierte Kombinationssignal (ΔVd) durch eine vierte Fourierreihe zum Drehwinkel θ gemäß $Δ V d = v_{d c} (R x, R y) \cdot cos θ + v_{d s} (R x, R y) \cdot sin θ + v_{d 0} (R x, R y),$
mit von der Verschiebung (Rx, Ry) der Rotationsachse abhängigen Fourierkoeffizienten v_dc(Rx, Ry), v_ds(Rx, Ry), v_d0(Rx, Ry) modellierbar ist.
Vorrichtung (20; 30) nach Anspruch 8, wobei die Fourierkoeffizienten w_j(Rx,Ry) mit w ∈ {v, z}, i ∈ {n, d} und j ∈ {c, s, 0} als Taylorreihen gemäß $w_{ij} (R x, R y) = w_{i j x x} \cdot R x^{2} + w_{i j x y} \cdot R x \cdot R y + w_{i j y y} \cdot R y^{2} + w_{i j x} \cdot R x + w_{i j y} \cdot R y + w_{i j 0}$
modellierbar sind mit den vordefinierten Taylorkoeffizienten w_ijxx, w_ijxy, w_ijyy, w_ijx, w_ijy, w_ij0.
Vorrichtung (20; 30) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Einrichtung (26; 36) zum Ermitteln des Drehwinkels ausgebildet ist, die Gleichungen aus Anspruch 9 numerisch zu lösen, um optimale Schätzwerte für den Drehwinkel und/oder die Verschiebung der Rotationsachse zu ermitteln.
Vorrichtung (20; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Speicher für die vordefinierten Taylorkoeffizienten, deren Werte mittels Berechnung, Simulation, und/oder Kalibrierung bestimmt werden.
Vorrichtung (20; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (26; 36) zum Ermitteln des Drehwinkels ausgebildet ist, um in einem initialen Berechnungsschritt einen initialen Schätzwert des Drehwinkels (θ) basierend auf der Annahme einer nicht vorhandenen Verschiebung (Rx, Ry) der Rotationsachse entsprechend der Nulllage und basierend auf dem ersten und zweiten Kombinationssignal zu ermitteln.
Vorrichtung (20; 30) nach Anspruch 12, wobei die Einrichtung (26; 36) zum Ermitteln des Drehwinkels ausgebildet ist, um den initialen Schätzwert des Drehwinkels (θ) basierend auf $θ^{(0)} = atan (\frac{z_{d c}^{(0)} \cdot Δ Z n}{z_{n s}^{(0)} \cdot Δ Z d})$
zu ermitteln, wobei $z_{d c}^{(0)}, z_{n s}^{(0)}$
vorbestimmten Fourierkoeffizienten bei nicht vorhandener Verschiebung der Rotationsachse entsprechend der Nulllage entsprechen.
Vorrichtung (20; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (26; 36) zum Ermitteln des Drehwinkels ausgebildet ist, um basierend auf einem aktuellen Schätzwert des Drehwinkels (θ), dem dritten und vierten Kombinationssignal (ΔVn, ΔVd) und den vordefinierten Taylorkoeffizienten einen aktualisierten Schätzwert der Verschiebung (Rx, Ry) der Rotationsachse zu ermitteln.
Vorrichtung (20; 30) nach Anspruch 14, wobei die Einrichtung (26; 36) zum Ermitteln des Drehwinkels ausgebildet ist, um den aktualisierten Schätzwert der Verschiebung (Rx, Ry) der Rotationsachse basierend auf $(\begin{matrix} R x^{(m + 1)} \\ R y^{(m + 1)} \end{matrix}) = {(\begin{matrix} v_{n c x} \cdot cos θ^{(m)} & v_{n s y} \cdot sin θ^{(m)} \\ v_{d c x} \cdot cos θ^{(m)} & v_{d s y} \cdot sin θ^{(m)} \end{matrix})}^{- 1} \cdot (\begin{matrix} Δ V n \\ Δ V d \end{matrix})$
zu ermitteln, wobei m einen m-ten Iterationsschritt bedeutet.
Vorrichtung (20; 30) nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Einrichtung (26; 36) zum Ermitteln des Drehwinkels ausgebildet ist, um basierend auf dem aktualisierten Schätzwert der Verschiebung (Rx, Ry) aktualisierte Fourierkoeffizienten zu ermitteln und basierend auf den aktualisierten Fourierkoeffizienten und dem ersten und zweiten Kombinationssignal (ΔZn, ΔZd) einen aktualisierten Schätzwert des Drehwinkel (0) zu ermitteln.
Vorrichtung (20; 30) nach Anspruch 16, wobei die Einrichtung (26; 36) zum Ermitteln des Drehwinkels ausgebildet ist, um den aktualisierten Schätzwert des Drehwinkel (θ) basierend auf $(\begin{matrix} cos θ^{(m + 1)} \\ sin θ^{(m + 1)} \end{matrix}) = {(\begin{matrix} z_{n c}^{(m + 1)} & z_{n s}^{(m + 1)} \\ z_{d c}^{(m + 1)} & z_{d s}^{(m + 1)} \end{matrix})}^{- 1} \cdot (\begin{matrix} Δ Z n - z_{n 0}^{(m + 1)} \\ Δ Z d - z_{d 0}^{(m + 1)} \end{matrix})$
zu ermitteln, wobei m einen m-ten Iterationsschritt bedeutet.
Verfahren zum Ermitteln eines Drehwinkels (θ) eines eine Orientierung eines Magnetfelds beeinflussenden Messobjekts mit Rotationsachse in z-Richtung, wobei wenigstens drei erste Magnetfeldsensorelemente, welche jeweils für Magnetfeldkomponenten in z-Richtung sensitiv sind, gleichmäßig um die Rotationsachse angeordnet sind, wobei wenigstens drei zweite Magnetfeldsensorelemente, welche jeweils für Magnetfeldkomponenten in einer x-y-Ebene sensitiv sind, gleichmäßig um die Rotationsachse angeordnet sind, das Verfahren umfassend: Ermitteln eines ersten Kombinationssignals (ΔZn) basierend auf einer ersten Kombination von Messsignalen der ersten Magnetfeldsensorelemente; Ermitteln eines zweiten Kombinationssignals (ΔZd) basierend auf einer zweiten Kombination von Messsignalen der ersten Magnetfeldsensorelemente; Ermitteln eines dritten Kombinationssignals (ΔVn) basierend auf einer ersten Kombination von Messsignalen der zweiten Magnetfeldsensorelemente; Ermitteln eines vierten Kombinationssignals (ΔVd) basierend auf einer zweiten Kombination von Messsignalen der zweiten Magnetfeldsensorelemente; und Ermitteln des Drehwinkels (θ) basierend auf dem ersten, dem zweiten, dem dritten und dem vierten Kombinationssignal.