DE102020105933A1 - COMPARED TO AN EXTERNAL FIELD, ROBUST ANGLE DETECTION WITH DIFFERENTIAL MAGNETIC FIELD - Google Patents
COMPARED TO AN EXTERNAL FIELD, ROBUST ANGLE DETECTION WITH DIFFERENTIAL MAGNETIC FIELD Download PDFInfo
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Abstract
Eine magnetische Winkelsensorvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung sind bereitgestellt. Die magnetische Winkelsensorvorrichtung beinhaltet Folgendes: eine Welle, die um eine Drehachse drehbar ist; eine magnetische Anordnung, die mit der Welle gekoppelt ist, wobei die magnetische Anordnung ein differentielles Magnetfeld produziert, das mehrere diametrale Magnetfelder umfasst; einen ersten magnetischen Winkelsensor, der in dem differentiellen Magnetfeld bereitgestellt ist und zum Erzeugen eines ersten Signals, das einen ersten Winkel repräsentiert, basierend auf einem ersten diametralen Magnetfeld des differentiellen Magnetfeldes konfiguriert ist; einen zweiten magnetischen Winkelsensor, der in dem differentiellen Magnetfeld bereitgestellt ist und zum Erzeugen eines zweiten Signals, das einen zweiten Winkel repräsentiert, basierend auf einem zweiten diametralen Magnetfeld des differentiellen Magnetfeldes konfiguriert ist; und einen Kombinationsschaltkreis, der zum Bestimmen eines kombinierten Drehwinkels basierend auf dem ersten Signal und auf dem zweiten Signal konfiguriert ist.A magnetic angle sensor device and a method of operating such a device are provided. The magnetic angle sensor device includes: a shaft that is rotatable about a rotation axis; a magnetic assembly coupled to the shaft, the magnetic assembly producing a differential magnetic field comprising a plurality of diametrical magnetic fields; a first magnetic angle sensor provided in the differential magnetic field and configured to generate a first signal representing a first angle based on a first diametrical magnetic field of the differential magnetic field; a second magnetic angle sensor provided in the differential magnetic field and configured to generate a second signal representing a second angle based on a second diametrical magnetic field of the differential magnetic field; and a combination circuit configured to determine a combined rotation angle based on the first signal and the second signal.
Description
Diese Anmeldung ist eine Teilfortsetzung der
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine magnetische Winkelsensoranordnung und insbesondere eine magnetische Winkelsensorvorrichtung, die zum Bestimmen einer Drehposition oder einer Bewegung einer Welle konfiguriert ist, und ein Verfahren zum Betreiben.The present disclosure relates to a magnetic angle sensor assembly and, more particularly, to a magnetic angle sensor device configured to determine a rotational position or movement of a shaft and a method of operating.
Ein magnetischer Winkelsensor kann verwendet werden, um eine Drehposition oder eine Bewegung einer Welle zu detektieren. Typischerweise ist ein Permanentmagnet an einer drehbaren Welle angebracht und ist ein einziger Magnetfeldsensor auf der Drehachse und angrenzend an den Magneten platziert.A magnetic angle sensor can be used to detect a rotational position or movement of a shaft. Typically, a permanent magnet is attached to a rotatable shaft and a single magnetic field sensor is placed on the axis of rotation and adjacent to the magnet.
Ein Nachteil bekannter Lösungen ist, dass sie sehr empfindlich gegenüber magnetischen Störungen sind. Falls zum Beispiel der Magnet ein Feld von z. B. 45 mT an den Sensorelementen erzeugt, führt eine magnetische Störung, die z. B. 3 mT beträgt (im ungünstigsten Fall in einer Richtung senkrecht zu der Achse und orthogonal zu dem Feld des Magneten), zu einem Fehler, der 3,8° (arctan(3/45)=3,8°) beträgt, was allgemein nicht akzeptabel ist.A disadvantage of known solutions is that they are very sensitive to magnetic interference. For example, if the magnet has a field of e.g. B. 45 mT generated at the sensor elements, leads to a magnetic disturbance that z. B. 3 mT (in the worst case in a direction perpendicular to the axis and orthogonal to the field of the magnet), to an error of 3.8 ° (arctan (3/45) = 3.8 °), which is generally not acceptable.
Magnetische Störungsfelder sind in Fahrzeugen verbreitet, so dass magnetische Winkelmessungen oft harsche Umgebungen aushalten müssen. Dies ist insbesondere in neuen Hybrid- und Elektrofahrzeugen problematisch, in denen sich viele Drähte mit starken Strömen nahe dem Sensorsystem befinden. Dementsprechend können externe magnetische Störungsfelder durch Stromschienen in einem Fahrzeug erzeugt werden, welche die Genauigkeit der magnetischen Winkelmessungen beeinflussen.Magnetic interference fields are common in vehicles so that magnetic angle measurements often have to withstand harsh environments. This is particularly problematic in new hybrid and electric vehicles where there are many wires with high currents near the sensor system. Accordingly, external magnetic interference fields can be generated by busbars in a vehicle, which influence the accuracy of the magnetic angle measurements.
Eine Aufgabe besteht darin, bekannte Ansätze zu verbessern und insbesondere die Detektion der Drehposition und Bewegung einer Welle zu verbessern. One object is to improve known approaches and in particular to improve the detection of the rotational position and movement of a shaft.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.This object is achieved according to the features of the independent claims. Preferred embodiments can be inferred in particular from the dependent claims.
Hier bereitgestellte Ausführungsformen betreffen eine magnetische Winkelsensoranordnung, die eine Drehposition oder eine Bewegung einer Welle bestimmt.Embodiments provided here relate to a magnetic angle sensor arrangement which determines a rotational position or a movement of a shaft.
Es wird eine magnetische Winkelsensorvorrichtung vorgeschlagen, die Folgendes umfasst:
- - eine Welle, die um eine Drehachse drehbar ist;
- - eine magnetische Anordnung, die mit der Welle gekoppelt ist, wobei die magnetische Anordnung ein Magnetfeld bereitstellt, das mehrere diametrale Magnetfelder umfasst, die entlang der Drehachse angeordnet sind, wobei jedes der mehreren diametralen Magnetfelder einen unterschiedlichen Magnetfeldgradienten aufweist, und wobei die mehreren diametralen Magnetfelder eine solche Feldrichtungsänderung beinhalten, dass wenigstens ein erstes der mehreren diametralen Magnetfelder eine erste Feldrichtung aufweist und wenigstens ein zweites der mehreren diametralen Magnetfelder eine zweite Feldrichtung aufweist, die entgegengesetzt zu der ersten Feldrichtung ist;
- - einen ersten magnetischen Winkelsensor, der in dem Magnetfeld bei einer ersten Position entlang der Drehachse bereitgestellt ist und zum Erzeugen eines ersten Signals, das einen ersten Winkel repräsentiert, basierend auf einem ersten diametralen Magnetfeld des Magnetfeldes eingerichtet ist;
- - einen zweiten magnetischen Winkelsensor, der in dem Magnetfeld bei einer zweiten Position entlang der Drehachse bereitgestellt ist und zum Erzeugen eines zweiten Signals, das einen zweiten Winkel repräsentiert, basierend auf einem zweiten diametralen Magnetfeld des Magnetfeldes eingerichtet ist;
- - einen Kombinationsschaltkreis, der zum Bestimmen eines kombinierten Drehwinkels basierend auf dem ersten Signal und auf dem zweiten Signal eingerichtet ist.
- - A shaft which is rotatable about an axis of rotation;
- a magnetic assembly coupled to the shaft, the magnetic assembly providing a magnetic field comprising a plurality of diametrical magnetic fields arranged along the axis of rotation, each of the plurality of diametrical magnetic fields having a different magnetic field gradient, and wherein the plurality of diametrical magnetic fields include such a field direction change that at least a first of the plurality of diametrical magnetic fields has a first field direction and at least a second of the plurality of diametrical magnetic fields has a second field direction which is opposite to the first field direction;
- a first magnetic angle sensor which is provided in the magnetic field at a first position along the axis of rotation and is configured to generate a first signal which represents a first angle based on a first diametrical magnetic field of the magnetic field;
- a second magnetic angle sensor which is provided in the magnetic field at a second position along the axis of rotation and is set up to generate a second signal which represents a second angle based on a second diametrical magnetic field of the magnetic field;
- a combination circuit which is set up to determine a combined angle of rotation based on the first signal and on the second signal.
Es ist eine Weiterbildung, dass die magnetische Anordnung eine Quadrupolmagnetanordnung ist, die einen Hohlraum bestimmt, in dem das Magnetfeld generiert wird, wobei der erste magnetische Winkelsensor und der zweite magnetische Winkelsensor innerhalb des Hohlraums angeordnet sind.It is a further development that the magnetic arrangement is a quadrupole magnet arrangement which defines a cavity in which the magnetic field is generated, the first magnetic angle sensor and the second magnetic angle sensor being arranged within the cavity.
Es ist eine Weiterbildung, dass der erste magnetische Winkelsensor und der zweite magnetische Winkelsensor auf einer Ausdehnung der Drehachse angeordnet sind und um einen Abstand in einer Richtung getrennt sind, die sich entlang der Drehachse ausdehnt. It is a development that the first magnetic angle sensor and the second magnetic angle sensor are arranged on an extension of the axis of rotation and are separated by a distance in a direction that extends along the axis of rotation.
Es ist eine Weiterbildung, dass jedes magnetische Sensorelement des ersten magnetischen Winkelsensors lateral um weniger als 1 mm von der Drehachse beabstandet ist, und jedes magnetische Sensorelement des zweiten magnetischen Winkelsensors lateral um weniger als 1 mm von der Drehachse beabstandet ist.It is a further development that each magnetic sensor element of the first magnetic angle sensor is laterally spaced from the axis of rotation by less than 1 mm, and each magnetic sensor element of the second magnetic angle sensor is laterally spaced from the axis of rotation by less than 1 mm.
Es ist eine Weiterbildung, dass die magnetische Anordnung einen Ringmagneten umfasst, der den Hohlraum definiert.It is a further development that the magnetic arrangement comprises a ring magnet which defines the cavity.
Es ist eine Weiterbildung, dass die magnetische Anordnung einen Scheibenmagneten beinhaltet, der zwischen dem Ringmagneten und der Welle liegt und mit diesen gekoppelt ist.It is a further development that the magnetic arrangement contains a disc magnet which lies between the ring magnet and the shaft and is coupled to them.
Es ist eine Weiterbildung, dass die magnetische Anordnung einen weiteren Ringmagneten umfasst, der zwischen dem Ringmagneten und der Welle liegt und mit diesen gekoppelt ist.It is a further development that the magnetic arrangement comprises a further ring magnet which lies between the ring magnet and the shaft and is coupled to them.
Es ist eine Weiterbildung, dass die magnetische Anordnung einen Zylindermagneten mit einer Bohrung beinhaltet, die den Hohlraum definiert, der sich von einem ersten Ende des Zylindermagneten teilweise entlang der Drehachse zu einem zweiten Ende des Zylindermagneten erstreckt.It is a development that the magnetic arrangement includes a cylinder magnet with a bore that defines the cavity which extends from a first end of the cylinder magnet partially along the axis of rotation to a second end of the cylinder magnet.
Es ist eine Weiterbildung, dass die mehreren diametralen Magnetfelder einen ersten Teil mit der ersten magnetischen Richtung und einen zweiten Teil mit der zweiten magnetischen Richtung, die entgegengesetzt zu der ersten magnetischen Richtung ist, beinhalten.It is a development that the plurality of diametrical magnetic fields contain a first part with the first magnetic direction and a second part with the second magnetic direction, which is opposite to the first magnetic direction.
Es ist eine Weiterbildung, dass der erste magnetische Winkelsensor und der zweite magnetische Winkelsensor in dem ersten Teil der mehreren diametralen Magnetfelder angeordnet sind und das erste diametrale Magnetfeld und das zweite diametrale Magnetfeld unterschiedliche Feldgrößengradienten des ersten Teils sind.It is a further development that the first magnetic angle sensor and the second magnetic angle sensor are arranged in the first part of the plurality of diametrical magnetic fields and the first diametrical magnetic field and the second diametrical magnetic field are different field size gradients of the first part.
Es ist eine Weiterbildung, dass der erste magnetische Winkelsensor in dem ersten Teil der mehreren diametralen Magnetfelder angeordnet ist und der zweite magnetische Winkelsensor in dem zweiten Teil der mehreren diametralen Magnetfelder angeordnet ist, wobei das erste diametrale Magnetfeld und das zweite diametrale Magnetfeld gleiche Feldgrößengradienten, aber mit umgekehrtem Vorzeichen sind.It is a further development that the first magnetic angle sensor is arranged in the first part of the multiple diametrical magnetic fields and the second magnetic angle sensor is arranged in the second part of the multiple diametrical magnetic fields, the first diametrical magnetic field and the second diametrical magnetic field having the same field size gradients, but are with the opposite sign.
Es ist eine Weiterbildung, dass der erste magnetische Winkelsensor in dem ersten Teil der mehreren diametralen Magnetfelder angeordnet ist und der zweite magnetische Winkelsensor in dem zweiten Teil der mehreren diametralen Magnetfelder angeordnet ist, wobei das erste diametrale Magnetfeld und das zweite diametrale Magnetfeld unterschiedliche Feldgrößengradienten sind.It is a further development that the first magnetic angle sensor is arranged in the first part of the plurality of diametrical magnetic fields and the second magnetic angle sensor is arranged in the second part of the plurality of diametrical magnetic fields, the first diametrical magnetic field and the second diametrical magnetic field being different field size gradients.
Es ist eine Weiterbildung, dass die magnetische Winkelsensorvorrichtung ferner Folgendes umfasst:
- - einen nichtmagnetischen Abstandshalter, der zwischen der Welle und der magnetischen Anordnung liegt und mit diesen gekoppelt ist,
- - wobei die magnetische Anordnung ein Ringmagnet ist, der einen Hohlraum definiert, in dem das Magnetfeld generiert wird, wobei der Ringmagnet ein erstes Ende beinhaltet, das mit dem nichtmagnetischen Abstandshalter gekoppelt ist, und sich der Hohlraum von dem nichtmagnetischen Abstandshalter entlang der Drehachse zu einem zweiten Ende des Ringmagneten erstreckt,
- - wobei der zweite magnetische Winkelsensor in einer Ebene mit dem zweiten Ende des Ringmagneten ausgerichtet ist.
- - a non-magnetic spacer which lies between the shaft and the magnetic arrangement and is coupled to them,
- - wherein the magnetic arrangement is a ring magnet that defines a cavity in which the magnetic field is generated, wherein the ring magnet includes a first end that is coupled to the non-magnetic spacer, and the cavity from the non-magnetic spacer along the axis of rotation to one extends the second end of the ring magnet,
- - wherein the second magnetic angle sensor is aligned in a plane with the second end of the ring magnet.
Es ist eine Weiterbildung, dass die magnetische Winkelsensorvorrichtung ferner Folgendes umfasst:
- - einen Leiterrahmen, auf dem der erste magnetische Winkelsensor und der zweite magnetische Winkelsensor angeordnet sind,
- - wobei der erste magnetische Winkelsensor auf einer ersten Seite des Leiterrahmens angeordnet ist und der zweite magnetische Winkelsensor auf einer zweiten Seite des Leiterrahmens angeordnet ist, die der ersten Seite gegenüberliegt.
- - A lead frame on which the first magnetic angle sensor and the second magnetic angle sensor are arranged,
- - wherein the first magnetic angle sensor is arranged on a first side of the lead frame and the second magnetic angle sensor is arranged on a second side of the lead frame that is opposite the first side.
Es ist eine Weiterbildung, dass die magnetische Winkelsensorvorrichtung ferner Folgendes umfasst:
- - ein Schaltkreissubstrat, das mit dem zweiten Ende des Ringmagneten gekoppelt ist und den Hohlraum einschließt,
- - wobei der Leiterrahmen auf dem Schaltkreissubstrat angeordnet ist und sich innerhalb des Hohlraums befindet.
- a circuit substrate coupled to the second end of the ring magnet and enclosing the cavity,
- - wherein the lead frame is arranged on the circuit substrate and is located within the cavity.
Es ist eine Weiterbildung, dass
- - der erste Winkel ein erster Fehlerwinkel ist, der auf dem ersten diametralen Magnetfeld und einem Störungsmagnetfeld basiert, die beide an den ersten magnetischen Winkelsensor angelegt werden, wobei das Störungsmagnetfeld bewirkt, dass ein erster resultierender Magnetfeldvektor um den ersten Fehlerwinkel von einem ersten Magnetzielfeldvektor abweicht,
- - der zweite Winkel ein zweiter Fehlerwinkel ist, der auf dem zweiten diametralen Magnetfeld und dem Störungsmagnetfeld basiert, die beide an den zweiten magnetischen Winkelsensor angelegt werden, wobei das Störungsmagnetfeld bewirkt, dass ein zweiter resultierender Magnetfeldvektor um den zweiten Fehlerwinkel von einem zweiten Magnetzielfeldvektor abweicht.
- the first angle is a first error angle based on the first diametrical magnetic field and a disturbance magnetic field, both of which are applied to the first magnetic angle sensor, the disturbance magnetic field causing a first resulting magnetic field vector to deviate from a first target magnetic field vector by the first error angle,
- the second angle is a second error angle based on the second diametrical magnetic field and the disturbance magnetic field, both of which are applied to the second magnetic angle sensor, the disturbance magnetic field causing a second resulting magnetic field vector to deviate from a second target magnetic field vector by the second error angle.
Es ist eine Weiterbildung, dass der Kombinationsschaltkreis zum Bestimmen des ersten Fehlerwinkels und des zweiten Fehlerwinkels und zum Bestimmen des kombinierten Drehwinkels basierend auf dem ersten Fehlerwinkel und dem zweiten Fehlerwinkel eingerichtet ist.One development is that the combination circuit is set up to determine the first error angle and the second error angle and to determine the combined angle of rotation based on the first error angle and the second error angle.
Es ist eine Weiterbildung, dass
- - der erste magnetische Winkelsensor das erste Signal erzeugt, das den ersten Fehlerwinkel zwischen dem ersten diametralen Magnetfeld, das an den ersten magnetischen Winkelsensor angelegt wird, und einer ersten Referenzrichtung repräsentiert,
- - der zweite magnetische Winkelsensor das zweite Signal erzeugt, das den zweiten Fehlerwinkel zwischen dem zweiten diametralen Magnetfeld, das an den zweiten magnetischen Winkelsensor angelegt wird, und einer zweiten Referenzrichtung repräsentiert.
- the first magnetic angle sensor generates the first signal which represents the first error angle between the first diametrical magnetic field that is applied to the first magnetic angle sensor and a first reference direction,
- - The second magnetic angle sensor generates the second signal which represents the second error angle between the second diametrical magnetic field that is applied to the second magnetic angle sensor and a second reference direction.
Weiterhin wird ein Verfahren angegeben zum Bestimmen eines kombinierten Drehwinkels einer Welle, wobei die Welle eingerichtet ist, sich um eine Drehachse zu drehen, und eine magnetische Anordnung, die mit der Welle gekoppelt ist, ein Magnetfeld erzeugt, das mehrere diametrale Magnetfelder umfasst, die entlang der Drehachse angeordnet sind, wobei jedes der mehreren diametralen Magnetfelder einen unterschiedlichen Magnetfeldgradienten aufweist, und wobei die mehreren diametralen Magnetfelder eine solche Feldrichtungsänderung beinhalten, dass wenigstens ein erstes der mehreren diametralen Magnetfelder eine erste Feldrichtung aufweist und wenigstens ein zweites der mehreren diametralen Magnetfelder eine zweite Feldrichtung aufweist, die entgegengesetzt zu der ersten Feldrichtung ist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
- - Erzeugen, durch einen ersten magnetischen Winkelsensor, der in dem Magnetfeld bei einer ersten Position entlang der Drehachse bereitgestellt ist, eines ersten Signals, das einen ersten Winkel repräsentiert, basierend auf einem ersten diametralen Magnetfeld des Magnetfeldes;
- - Erzeugen, durch einen zweiten magnetischen Winkelsensor, der in dem Magnetfeld bei einer zweiten Position entlang der Drehachse bereitgestellt ist, eines zweiten Signals, das einen zweiten Winkel repräsentiert, basierend auf einem zweiten diametralen Magnetfeld des Magnetfeldes; und
- - Bestimmen des kombinierten Drehwinkels basierend auf dem ersten Signal und auf dem zweiten Signal.
- Generating, by a first magnetic angle sensor provided in the magnetic field at a first position along the axis of rotation, a first signal which represents a first angle based on a first diametrical magnetic field of the magnetic field;
- Generating, by a second magnetic angle sensor, which is provided in the magnetic field at a second position along the axis of rotation, a second signal which represents a second angle based on a second diametrical magnetic field of the magnetic field; and
- - Determining the combined angle of rotation based on the first signal and on the second signal.
Es ist eine Weiterbildung, dass
- - der erste Winkel ein erster Fehlerwinkel ist, der auf dem ersten diametralen Magnetfeld und einem Störungsmagnetfeld basiert, die beide an den ersten magnetischen Winkelsensor angelegt werden, wobei das Störungsmagnetfeld bewirkt, dass ein erster resultierender Magnetfeldvektor um den ersten Fehlerwinkel von einem ersten Magnetzielfeldvektor abweicht,
- - der zweite Winkel ein zweiter Fehlerwinkel ist, der auf dem zweiten diametralen Magnetfeld und dem Störungsmagnetfeld basiert, die beide an den zweiten magnetischen Winkelsensor angelegt werden, wobei das Störungsmagnetfeld bewirkt, dass ein zweiter resultierender Magnetfeldvektor um den zweiten Fehlerwinkel von einem zweiten Magnetzielfeldvektor abweicht, und
- - der kombinierte Drehwinkel basierend auf dem ersten Fehlerwinkel und dem zweiten Fehlerwinkel bestimmt wird.
- the first angle is a first error angle based on the first diametrical magnetic field and a perturbation magnetic field, both of which are applied to the first magnetic angle sensor, wherein the disturbance magnetic field causes a first resulting magnetic field vector to deviate from a first target magnetic field vector by the first error angle,
- - the second angle is a second error angle based on the second diametrical magnetic field and the disturbance magnetic field, both of which are applied to the second magnetic angle sensor, the disturbance magnetic field causing a second resulting magnetic field vector to deviate from a second target magnetic field vector by the second error angle, and
- the combined angle of rotation is determined based on the first error angle and the second error angle.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet eine magnetische Winkelsensorvorrichtung Folgendes: eine Welle, die um eine Drehachse drehbar ist; eine magnetische Anordnung, die mit der Welle gekoppelt ist, wobei die magnetische Anordnung ein differentielles Magnetfeld produziert, das mehrere diametrale Magnetfelder umfasst; einen ersten magnetischen Winkelsensor, der in dem differentiellen Magnetfeld bereitgestellt ist und zum Erzeugen eines ersten Signals, das einen ersten Winkel repräsentiert, basierend auf einem ersten diametralen Magnetfeld des differentiellen Magnetfeldes konfiguriert ist; einen zweiten magnetischen Winkelsensor, der in dem differentiellen Magnetfeld bereitgestellt ist und zum Erzeugen eines zweiten Signals, das einen zweiten Winkel repräsentiert, basierend auf einem zweiten diametralen Magnetfeld des differentiellen Magnetfeldes konfiguriert ist; und einen Kombinationsschaltkreis, der zum Bestimmen eines kombinierten Drehwinkels basierend auf dem ersten Signal und auf dem zweiten Signal konfiguriert ist.According to one or more embodiments, a magnetic angle sensor device includes: a shaft rotatable about an axis of rotation; a magnetic assembly coupled to the shaft, the magnetic assembly producing a differential magnetic field comprising a plurality of diametrical magnetic fields; a first magnetic angle sensor provided in the differential magnetic field and configured to generate a first signal representing a first angle based on a first diametrical magnetic field of the differential magnetic field; a second magnetic angle sensor provided in the differential magnetic field and configured to generate a second signal representing a second angle based on a second diametrical magnetic field of the differential magnetic field; and a combination circuit configured to determine a combined rotation angle based on the first signal and the second signal.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ist ein Verfahren zum Bestimmen eines kombinierten Drehwinkels einer Welle unter Verwendung einer magnetischen Anordnung bereitgestellt, die ein differentielles Magnetfeld einschließlich mehrerer diametraler Magnetfelder produziert. Das Verfahren beinhaltet Folgendes: Erzeugen, durch einen ersten magnetischen Winkelsensor, der in dem differentiellen Magnetfeld bereitgestellt ist, eines ersten Signals, das einen ersten Winkel repräsentiert, basierend auf einem ersten diametralen Magnetfeld des differentiellen Magnetfeldes, das an den ersten magnetischen Winkelsensor angelegt wird; Erzeugen, durch einen zweiten magnetischen Winkelsensor, der in dem differentiellen Magnetfeld bereitgestellt ist, eines zweiten Signals, das einen zweiten Winkel repräsentiert, basierend auf einem zweiten diametralen Magnetfeld des differentiellen Magnetfeldes, das an den zweiten magnetischen Winkelsensor angelegt wird; und Bestimmen des kombinierten Drehwinkels basierend auf dem ersten Signal und auf dem zweiten Signal.According to one or more embodiments, a method is provided for determining a combined angle of rotation of a shaft using a magnetic arrangement that produces a differential magnetic field including a plurality of diametrical magnetic fields. The method includes: generating, by a first magnetic angle sensor provided in the differential magnetic field, a first signal representing a first angle based on a first diametrical magnetic field of the differential magnetic field applied to the first magnetic angle sensor; Generating, by a second magnetic angle sensor provided in the differential magnetic field, a second signal representing a second angle based on a second diametrical magnetic field of the differential magnetic field applied to the second magnetic angle sensor; and determining the combined angle of rotation based on the first signal and on the second signal.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ein Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Speicher einer digitalen Verarbeitungsvorrichtung ladbar ist, einschließlich Softwarecodeteilen, die ermöglichen, dass die digitale Verarbeitungsvorrichtung ein oder mehrere hier beschriebene Verfahren durchführt.According to one or more embodiments, a computer program product that can be loaded directly into a memory of a digital processing device, including software code parts that enable the digital processing device to carry out one or more methods described herein.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ist ein computerlesbares Medium, z. B. eine nichtflüchtige Speicherung einer beliebigen Art, mit computerausführbaren Anweisungen bereitgestellt, die dazu eingerichtet sind, zu bewirken, dass ein Computersystem ein oder mehrere hier beschriebene Verfahren durchführt.According to one or more embodiments, a computer readable medium, e.g. Non-volatile storage of any type is provided with computer-executable instructions configured to cause a computer system to perform one or more of the methods described herein.
Ausführungsformen sind unter Bezugnahme auf die Zeichnungen dargestellt und veranschaulicht. Die Zeichnungen dienen dazu, das Grundprinzip zu veranschaulichen, so dass nur für das Verständnis des Grundprinzips notwendige Aspekte veranschaulicht werden. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu. In den Zeichnungen bezeichnen die gleichen Bezugszeichen gleiche Merkmale.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems, das eine Welle beinhaltet, die sich um eine Drehachse herum dreht, wobei ein Magnet an der Welle angebracht ist und sich oberhalb von drei magnetischen Winkelsensoren dreht, die auf der Drehachse angeordnet sind; -
2 zeigt ein schematisches Diagramm, das einen diametral magnetisierten Magneten und einen magnetischen Winkelsensor, der einen Magnetzielfeldvektor und einen Störungsfeldvektor zeigt, umfasst; -
3 zeigt einen diametral magnetisierten Magneten, der um eine Drehachse drehbar angeordnet ist; -
4 zeigt den in3 veranschaulichten Magneten, wobei zwei Winkelsensoren auf der Drehachse in unterschiedlichen Abständen von dem Magneten platziert sind; -
5 zeigt die in4 veranschaulichten Winkelsensoren aus einer unterschiedlichen Perspektive, wobei die Drehwinkelfehler aufgrund eines Störungsfeldes angegeben sind; -
6 zeigt eine beispielhafte Anordnung eines Doppelsensorgehäuses; -
7 zeigt ein Doppelmagnetsystem, bei dem zwei Winkelsensoren in unterschiedlichen Abständen von zwei diametral magnetisierten Magneten auf der Drehachse platziert sind, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; -
8A zeigt ein Doppelmagnetsystem, das zwei Ringmagneten beinhaltet, die zum Erzeugen eines differentiellen Magnetfeldes gemäß denunter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Prinzipien eingerichtet sind, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; -
8B zeigt ein Doppelmagnetsystem, das zwei Ringmagneten beinhaltet, die zum Erzeugen eines differentiellen Magnetfeldes gemäß denunter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Prinzipien eingerichtet sind, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; -
9 zeigt ein Doppelmagnetsystem, das einen ebenen diametralen Magneten in Kombination mit einem Ringmagneten beinhaltet, die zum Erzeugen eines differentiellen Magnetfeldes gemäß denunter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Prinzipien eingerichtet sind, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; -
10 zeigt eine Quadrupolmagnetsensoranordnung, die zum Erzeugen eines differentiellen Magnetfeldes gemäß denunter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Prinzipien konfiguriert ist, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; -
11 zeigt eine Quadrupolmagnetsensoranordnung, die zum Erzeugen eines differentiellen Magnetfeldes gemäß denunter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Prinzipien konfiguriert ist, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; -
12 zeigt eine Quadrupolmagnetsensoranordnung, die zum Erzeugen eines differentiellen Magnetfeldes gemäß denunter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Prinzipien konfiguriert ist, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; und -
13 zeigt eine Quadrupolmagnetsensoranordnung, die zum Erzeugen eines differentiellen Magnetfeldes gemäß denunter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Prinzipien konfiguriert ist, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
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1 Figure 3 shows an embodiment of a sensor system that includes a shaft rotating about an axis of rotation, with a magnet attached to the shaft and rotating above three magnetic angle sensors disposed on the axis of rotation; -
2 Fig. 13 is a schematic diagram including a diametrically magnetized magnet and a magnetic angle sensor showing a target magnetic field vector and a perturbation field vector; -
3 shows a diametrically magnetized magnet which is rotatably arranged about an axis of rotation; -
4th shows the in3 illustrated magnets, wherein two angle sensors are placed on the axis of rotation at different distances from the magnet; -
5 shows the in4th illustrated angle sensors from a different perspective, the rotation angle errors due to an interference field being indicated; -
6th shows an exemplary arrangement of a dual sensor housing; -
7th shows a double magnet system in which two angle sensors are placed at different distances from two diametrically magnetized magnets on the axis of rotation, according to one or more embodiments; -
8A FIG. 13 shows a double magnet system that includes two ring magnets that are used to generate a differential magnetic field according to the FIGS7th described principles are established according to one or more embodiments; -
8B FIG. 13 shows a double magnet system that includes two ring magnets that are used to generate a differential magnetic field according to the FIGS7th described principles are established according to one or more embodiments; -
9 FIG. 12 shows a double magnet system which includes a planar diametrical magnet in combination with a ring magnet, which is used to generate a differential magnetic field according to the FIGS7th described principles are established according to one or more embodiments; -
10 FIG. 13 shows a quadrupole magnetic sensor arrangement which is used to generate a differential magnetic field according to the FIGS7th described principles is configured according to one or more embodiments; -
11 FIG. 13 shows a quadrupole magnetic sensor arrangement which is used to generate a differential magnetic field according to the FIGS7th described principles is configured according to one or more embodiments; -
12 FIG. 13 shows a quadrupole magnetic sensor arrangement which is used to generate a differential magnetic field according to the FIGS7th described principles is configured according to one or more embodiments; and -
13 FIG. 13 shows a quadrupole magnetic sensor arrangement which is used to generate a differential magnetic field according to the FIGS7th described principles is configured according to one or more embodiments.
Hier beschriebene Beispiele betreffen insbesondere magnetische Winkelsensoren, wobei ein Permanentmagnet an einer drehbaren Welle angebracht und ein Magnetfeldsensor auf der Drehachse und angrenzend an den Magneten platziert sein kann. Der magnetische Winkelsensor detektiert insbesondere das drehbare Magnetfeld, das in eine diametrale Richtung zeigt, und folgert daraus die Drehposition der Welle.Examples described here relate in particular to magnetic angle sensors, wherein a permanent magnet can be attached to a rotatable shaft and a magnetic field sensor can be placed on the axis of rotation and adjacent to the magnet. The magnetic angle sensor detects in particular the rotatable magnetic field, which points in a diametrical direction, and deduces the rotational position of the shaft from this.
Es können verschiedene Sensoren verwendet werden, z. B. ein anisotroper Magnetowiderstand (AMR: Anisotropie Magneto-Resistor), ein Riesenmagnetowiderstand (GMR: Giant Magneto-Resistor), ein Tunnelmagnetowiderstand (TMR: Tunneling Magneto-Resistor), Hall-Vorrichtungen (z. B. Hall-Platten, vertikale Hall-Effekt-Vorrichtungen) oder Magnetfeldeffekttransistoren (MAG-FETs) (z. B. MAG-FETs mit geteiltem Drain).Various sensors can be used, e.g. B. an anisotropic magnetoresistance (AMR: Anisotropy Magneto-Resistor), a Giant Magneto-Resistor (GMR: Giant Magneto-Resistor), a Tunneling Magneto-Resistor (TMR: Tunneling Magneto-Resistor), Hall devices (e.g. Hall plates, vertical Hall Effect devices) or magnetic field effect transistors (MAG-FETs) (e.g. MAG-FETs with split drain).
Die hier bereitgestellten Ausführungsformen verwenden mehrere Winkelsensoren und kombinieren ihre Ausgaben, um eine Winkelabschätzung abzuleiten, die gegenüber externen Störungsfeldern robust ist.The embodiments provided here use multiple angle sensors and combine their outputs to derive an angle estimate that is robust to external interference fields.
Dies kann in harschen Umgebungen vorteilhaft sein, wie etwa in einem Fahrzeug oder einem Auto, wo externe magnetische Felder, die durch Stromschienen in dem Fahrzeug erzeugt werden, die Genauigkeit der magnetischen Winkelmessung beeinflussen. Dies wird insbesondere in Hybrid- oder Elektroautos problematisch, die eine Vielzahl an Drähten umfassen, die starke Ströme angrenzend an das oder in der Nähe des Sensorsystems führen.This can be beneficial in harsh environments, such as in a vehicle or an automobile, where external magnetic fields generated by bus bars in the vehicle affect the accuracy of the magnetic angle measurement. This becomes particularly problematic in hybrid or electric cars that comprise a large number of wires that carry strong currents adjacent to or in the vicinity of the sensor system.
Die magnetischen Winkelsensoren
Der Winkelsensor
Der Winkelsensor
Der Winkelsensor
Es wird angemerkt, dass jeder der Winkelsensoren
Es wird angemerkt, dass jeder Winkelsensor zwei vertikale Hall-Vorrichtungen (auch als vertikale Hall-Effekt-Vorrichtungen bezeichnet) umfassen kann. Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine erste vertikale Hall-Vorrichtung so orientiert, dass sie lediglich Magnetfeldkomponenten in einer ersten Richtung detektiert (z. B. in x-Richtung, wohingegen Magnetfeldkomponenten in y- und z-Richtung durch die erste vertikale Hall-Vorrichtung nicht detektiert werden). Eine zweite vertikale Hall-Vorrichtung ist so orientiert, dass sie lediglich Magnetfeldkomponenten in einer zweiten Richtung detektiert, die von der ersten Richtung verschieden ist (z. B. in y-Richtung, wohingegen Magnetfeldkomponenten in x- und z-Richtung durch die zweite vertikale Hall-Vorrichtung nicht detektiert werden). Der Winkelsensor bestimmt ein Signal, das dem Arcustangens der Magnetfelder Bx und By, d. h. arctan2(Bx, By), entspricht. Dies ist äquivalent zu dem Winkel zwischen dem Magnetfeld mit einer verschwindenden Bz-Komponente und einer positiven x-Achse. Falls die Bz-Komponente des Magnetfeldes auf null eingestellt ist, kann eine Projektion des Magnetfelds senkrecht zu der Drehachse erhalten werden, die parallel zu der z-Achse ist. Diese Projektion wird auch diametrales Magnetfeld genannt.It is noted that each angle sensor can include two vertical Hall devices (also referred to as vertical Hall effect devices). In one embodiment, a first vertical Hall device is oriented such that it only detects magnetic field components in a first direction (e.g. in the x direction, whereas magnetic field components in the y and z directions are not detected by the first vertical Hall device become). A second vertical Hall device is oriented in such a way that it only detects magnetic field components in a second direction that is different from the first direction (e.g. in the y direction, whereas magnetic field components in the x and z directions through the second vertical direction Hall device cannot be detected). The angle sensor determines a signal which corresponds to the arctangent of the magnetic fields B x and B y , ie arctan 2 (B x , B y ). This is equivalent to the angle between the magnetic field with a vanishing B z component and a positive x-axis. If the B z component of the magnetic field is set to zero, a projection of the magnetic field perpendicular to the axis of rotation which is parallel to the z-axis can be obtained. This projection is also called a diametrical magnetic field.
Es besteht die Möglichkeit, dass jeder Winkelsensor zwei Wheatstone-Brücken aus magnetoresistiven Widerständen umfassen kann. Eine Brücke liefert ein Signal, das proportional zu dem Sinus eines Winkels zwischen dem diametralen Magnetfeld und der x-Achse ist. Die andere Brücke liefert ein Signal, das proportional zu dem Cosinus dieses Winkels ist. Der Winkelsensor kann dementsprechend das Signal bereitstellen, das dem Arcustangens dieses Sinus und Cosinus, d. h. arctan2(cos, sin), entspricht.It is possible that each angle sensor can comprise two Wheatstone bridges made of magnetoresistive resistors. A bridge provides a signal that is proportional to the sine of an angle between the diametrical magnetic field and the x-axis. The other bridge provides a signal that is proportional to the cosine of that angle. The angle sensor can accordingly provide the signal which corresponds to the arctangent of this sine and cosine, ie arctan 2 (cos, sin).
Jede Brücke umfasst vier Widerstände in einer Wheatstone-Brücke-Anordnung. Falls GMRs oder TMRs verwendet werden, umfassen die Widerstände der Hauptdiagonale der Sinusbrücke eine fixierte Schicht, die in einer positiven y-Richtung magnetisiert ist. Die Widerstände der sekundären Diagonale der Sinusbrücke umfassen eine fixierte Schicht, die in einer negativen y-Richtung magnetisiert ist. Die Widerstände der Hauptdiagonale der Cosinusbrücke umfassen eine fixierte Schicht, die in positiver x-Richtung magnetisiert ist, und die Widerstände der sekundären Diagonale der Cosinusbrücke umfassen eine fixierte Schicht, die in einer negativen x-Richtung magnetisiert ist.Each bridge comprises four resistors in a Wheatstone bridge arrangement. If GMRs or TMRs are used, the main diagonal resistors of the sine bridge comprise a pinned layer that is magnetized in a positive y-direction. The secondary diagonal resistors of the sine bridge comprise a pinned layer that is magnetized in a negative y-direction. The resistors of the main diagonal of the cosine bridge comprise a pinned layer that is magnetized in a positive x-direction, and the resistors of the secondary diagonal of the cosine bridge comprise a pinned layer that is magnetized in a negative x-direction.
Falls AMR-Sensoren verwendet werden, sind die Signale der Brücken proportional zu cos(2φ) und sin(2φ), wobei φ der Winkel zwischen der diametralen Magnetfeldkomponente und der positiven x-Achse ist. Die Widerstände der Cosinusbrücke zeigen einen Stromfluss in x-Richtung entlang der Hauptdiagonale und einen Stromfluss in y-Richtung entlang der sekundären Diagonale (positiv oder negativ ist in diesem Fall ohne Belang). Die Widerstände der Sinusbrücke zeigen einen Stromfluss in x-Richtung plus 45 Grad (im Uhrzeigersinn) entlang der Hauptdiagonale und einen Stromfluss in x-Richtung minus 45 Grad (gegen den Uhrzeigersinn) entlang der sekundären Diagonale.If AMR sensors are used, the signals from the bridges are proportional to cos (2φ) and sin (2φ), where φ is the angle between the diametrical magnetic field component and the positive x-axis. The resistances of the cosine bridge show a current flow in the x-direction along the main diagonal and a current flow in the y-direction along the secondary diagonal (positive or negative is irrelevant in this case). The resistances of the sine bridge show a current flow in the x direction plus 45 degrees (clockwise) along the main diagonal and a current flow in the x direction minus 45 degrees (counterclockwise) along the secondary diagonal.
Ein diametrales Magnetfeld auf der Drehachse
Ein diametrales Magnetfeld auf der Drehachse
Das diametrale Magnetfeld auf der Drehachse
Ferner kann ein homogenes Störungsfeld Bd vorliegen, das die Komponenten Bdx und Bdy umfasst (die Bz-Komponente ist irrelevant).Furthermore, there can be a homogeneous interference field Bd which comprises the components Bd x and Bd y (the B z component is irrelevant).
Das Folgende gilt:
Daher beträgt die Drehposition φ0 der Welle
Multiplizieren von Gleichung (1) mit (Bx1+Bdx) führt zu:
Multiplizieren von Gleichung (2) mit (k2 · Bx1 + Bdx) führt zu:
Multiplizieren von Gleichung (3) mit (k3 · Bx1 + Bdx) führt zu:
Subtrahieren von Gleichungen (5) - (6) führt zu:
Subtrahieren von Gleichungen (5) - (7) führt zu:
Gleichung (4) kann in Folgendes umgeformt werden:
Separieren von Bdx auf der linken Seite der Gleichungen (10) und (11) führt zu:
Eine Division von Gleichungen (12)/(13) und Auflösen des Ergebnisses nach tan φ0 führt zu:
Es wird angemerkt, dass die arctan-Funktion nicht ohne Mehrdeutigkeit über 360° ist. Die arctan-Funktion reicht nur von -90° bis +90°. Bei den verwendeten Beispielen wäre ein Bereich von -180° bis + 180° bevorzugt. Dies kann mittels der Funktion arctan2(x,y) erreicht werden, die identisch zu arctan(y/x) ist, falls x≥0 gilt. Falls jedoch x<0 gilt, dann gilt Folgendes:
Der auf die rechte Seite von Gleichung (14) angewandte Arcustangens liefert den Drehwinkel φ0. Dieser berechnete Drehwinkel φ0 ist nicht mehr (wesentlich) durch das Störungsfeld beeinflusst und/oder verfälscht. Die Winkelsensoren
Im Fall eines signifikanten axialen Spiels könnte dies die Feldstärken an den Winkelsensoren
Falls die Funktion des absoluten Wertes des diametralen Magnetfeldes B entlang der Drehachse (d. h. der z-Achse) eine über z lineare Funktion ist, sind die Zahlen k2 und k3 Konstanten, selbst wenn der Magnet
Es besteht eine Möglichkeit, Magneten zu benutzen, die eine solche lineare Beziehung bereitstellen. Zum Beispiel kann ein kleines Stiftloch in die Oberfläche des Magneten gebohrt sein, insbesondere in die Oberfläche, die den Winkelsensoren
Jeder der Winkelsensoren
Die Position der Sensorelemente
Die Sensorelemente
Die diametrale Magnetfeldstärke kann wie folgt bezeichnet werden:
Mit Bezug auf die hier verwendete Terminologie können die axiale und die laterale Richtung wie folgt unterschieden werden: die axiale Richtung ist entlang der Drehachse
Als eine Möglichkeit kann der Winkelsensor
Es wird angemerkt, dass eine erhöhte Zuverlässigkeit ein weiterer Vorteil des Systems ist: das System ermöglicht das Erhalten von drei Schätzungen eines Drehwinkels, d. h. φ1, φ2, φ3, die z. B. zu Vergleichszwecken kombiniert werden können. Zum Beispiel kann entschieden werden, dass einer der Winkelsensoren defekt ist, falls er einen Drehwinkel produziert, der sich von den Drehwinkeln, die durch die anderen zwei Winkelsensoren detektiert werden, erheblich unterscheidet (z. B. eine vordefinierte Schwelle für eine Variation zwischen den Drehwinkeln überschreitet). Der Defekt kann gemeldet werden, z. B. als ein Alarm, und/oder das Ergebnis des defekten Winkels kann nicht mehr verwendet werden; bei einem solchen beispielhaften Szenario können die Drehwinkel von den anderen zwei (nichtdefekten) Winkelsensoren gemittelt und zur weiteren Verarbeitung verwendet werden.It is noted that increased reliability is another advantage of the system: the system enables three estimates of an angle of rotation to be obtained, i.e. H. φ1, φ2, φ3, the z. B. can be combined for comparison purposes. For example, it can be decided that one of the angle sensors is defective if it produces a rotation angle that differs significantly from the rotation angles that are detected by the other two angle sensors (e.g. a predefined threshold for a variation between the rotation angles exceeds). The defect can be reported, e.g. B. as an alarm, and / or the result of the broken angle can no longer be used; in such an exemplary scenario, the angles of rotation from the other two (non-defective) angle sensors can be averaged and used for further processing.
Es ist auch ein Vorteil, dass das System dazu in der Lage ist, zu bestimmen, ob die Winkelsensoren
Als eine Möglichkeit kann das System die Monotonie nur überprüfen, falls die Differenzen zwischen den Drehwinkeln φ1, φ2 und φ3 oberhalb einer vorbestimmten Schwelle sind, die größer als eine erwartete Produktionsstreuung sein kann. Dies vermeidet das Detektieren einer inhomogenen Verteilung von Winkelsensoren, selbst wenn es keine gibt.As a possibility, the system can only check the monotony if the differences between the angles of rotation φ1, φ2 and φ3 are above a predetermined threshold which may be greater than an expected production spread. This avoids the detection of an inhomogeneous distribution of angle sensors, even if there are none.
Durch Einsetzen des Drehwinkels φ0 in die Gleichungen (12), (13) und (6), (7) ist das System dazu in der Lage, die folgenden Verhältnisse zu berechnen:
Gleichung (12) oder Gleichung (13) kann verwendet werden, um Bdx/Bx1 basierend auf den Drehwinkeln φ1, φ2 und φ3 zu berechnen. Dieses Ergebnis kann in Gleichung (6) oder in Gleichung (7) eingesetzt werden, um Bdy/By1 zu berechnen.Equation (12) or Equation (13) can be used to calculate Bdx / Bx1 based on the rotation angles φ1, φ2, and φ3. This result can be plugged into Equation (6) or Equation (7) to calculate Bdy / By1.
Insbesondere besteht eine Möglichkeit, Folgendes zu bestimmen:
Bdx/Bxl kann verwendet werden, um Folgendes zu bestimmen:
Entsprechend kann Bdy/Byl verwendet werden, um Folgendes zu bestimmen:
Die beiden Gleichungen (16) und (17) können kombiniert werden, um Gleichung (15) zu erhalten, d. h. Gleichung (16) und Gleichung (17) werden beide quadriert und dann addiert und anschließend wird die Wurzel aus dieser Addition gezogen. Der durch Gleichung (15) gelieferte Wert kann mit einer vorbestimmten Schwelle verglichen werden, um anzugeben, ob das Störungsfeld innerhalb eines akzeptablen Bereichs liegt oder nicht.The two equations (16) and (17) can be combined to obtain equation (15); H. Equation (16) and Equation (17) are both squared and then added, and then the square root of that addition is taken. The value given by equation (15) can be compared to a predetermined threshold to indicate whether or not the perturbation field is within an acceptable range.
Daher kann das System das Ausmaß einer Störung im Verhältnis zu dem Magnetfeld des Magneten bestimmen. Dieses Verhältnis kann mit wenigstens einer vordefinierten Grenze verglichen werden und das System kann einen Alarm ausgeben, falls die Störung zu groß geworden ist, was zu unzuverlässigen oder ungenauen Ergebnissen führen kann. Therefore, the system can determine the degree of disturbance in relation to the magnetic field of the magnet. This ratio can be compared with at least one predefined limit and the system can give an alarm if the disturbance has become too great, which can lead to unreliable or inaccurate results.
Gemäß einem Beispiel werden zwei Winkelsensoren verwendet, um die Drehungs-/Winkelinformationen abzuleiten. Jedoch sind die Ausführungsformen nicht darauf beschränkt und es können mehr als zwei Winkelsensoren verwendet werden, wobei jeder Sensor Winkelinformationen erzeugt, die zum Ableiten der abschließenden Messung (d. h. eines kombinierten Drehwinkels) verwendet werden.In one example, two angle sensors are used to derive the rotation / angle information. However, the embodiments are not limited thereto and more than two angle sensors can be used, each sensor generating angle information that is used to derive the final measurement (i.e., a combined angle of rotation).
Das Magnetfeld eines Magneten hängt stark von dem Abstand des Sensors zu dem Magneten ab.
Ein Magnetzielfeld ist durch Pfeile
In Anwesenheit von homogenen Störungsfeldern können die Winkelsensoren
Es wird angemerkt, dass in
Da der Winkelsensor
Basierend auf diesem beispielhaften Szenario kann der tatsächliche Drehwinkel bestimmt oder angenähert werden und kann sogar die Größe des Störungsfeldes bestimmt oder angenähert werden. Um dies zu erreichen, muss die Feldgröße des Magneten
Es wird angemerkt, dass das in
Eine Linearkombination der Drehwinkel, die durch diese zwei Winkelsensoren erhalten werden, kann zu einem Drehwinkel führen, der gegenüber Störungen robust ist.A linear combination of the angles of rotation obtained by these two angle sensors can lead to an angle of rotation that is robust to interference.
Der Magnet
Im Fall eines kleinen Störungsfeldes Bd gilt das Folgende:
Ein Drehwinkel αBeste-Einschätzung kann wie folgt bestimmt werden:
Der Drehwinkel αBeste-Einschätzung sollte 0° sein, weil der Magnet in diese 0°-Richtung zeigt.The angle of rotation α, best estimate, should be 0 ° because the magnet is pointing in this 0 ° direction.
Dies führt zu:
Ein Algorithmus kann verwendet werden, um
Der Algorithmus kann die Konstante c verwenden, die durch die letzte Gleichung gegeben ist und die nur von dem Verhältnis von Feldern des Magneten an den beiden Winkelsensoren abhängt. Obwohl die Formel mit der Annahme einer speziellen Drehposition φ = 0° abgeleitet wurde, funktioniert sie für alle Drehpositionen.The algorithm can use the constant c given by the last equation, which depends only on the ratio of fields of the magnet at the two angle sensors. Although the formula was derived with the assumption of a special rotational position φ = 0 °, it works for all rotational positions.
B1/B2 kann zum Beispiel 1,5 betragen. Dies führt zu c=2 und
Ein unterer Die
Bei diesem Doppel-Die-Aufbau befinden sich die magnetischen Sensorelemente
Ein (in
Vorteilhafterweise ermöglicht dieser Ansatz Drehwinkelmessungen, die gegenüber Störungsfeldern robust sind.This approach advantageously enables angle of rotation measurements that are robust to interference fields.
Die in
Es besteht auch eine Möglichkeit, dass der korrigierte Drehwinkel durch einen der Winkelsensoren berechnet wird, falls beide Winkelsensoren in einem Gehäuse integriert sind. Zum Beispiel kann ein erster Winkelsensor zum Bestimmen des korrigierten Drehwinkels verwendet werden, falls der erste und ein zweiter Winkelsensor durch Bonddrähte oder durch Zuleitungen verbunden sind: Daher erhält der erste Winkelsensor die Daten von dem zweiten Winkelsensor und berechnet den korrigierten (z. B. kompensierten) Drehwinkel basierend auf den Daten, die durch den ersten und den zweiten Winkelsensor bestimmt wurden. In einem solchen Szenario kann ein Mikrocontroller zum Lesen eines solchen korrigierten Drehwinkels von dem ersten Sensor bereitgestellt sein.There is also a possibility that the corrected angle of rotation is calculated by one of the angle sensors if both angle sensors are integrated in one housing. For example, a first angle sensor can be used to determine the corrected angle of rotation if the first and a second angle sensor are connected by bonding wires or by leads: The first angle sensor therefore receives the data from the second angle sensor and calculates the corrected (e.g. compensated ) Angle of rotation based on the data determined by the first and second angle sensors. In such a scenario, a microcontroller can be provided for reading such a corrected angle of rotation from the first sensor.
Daher nutzt dieses Beispiel die Tatsache, dass das diametrale Feld von dem Magneten in unterschiedlichen Abständen von dem Magneten unterschiedlich ist; Platzieren von Winkelsensoren in unterschiedlichen Abständen von dem Magneten ermöglicht einen robusten Aufbau, um magnetische Störungsfelder wenigstens teilweise zu kompensieren.Hence, this example takes advantage of the fact that the diametrical field from the magnet is different at different distances from the magnet; Placing angle sensors at different distances from the magnet enables a robust construction to at least partially compensate for magnetic interference fields.
Die hier bereitgestellten Vorrichtungen und Verfahren können insbesondere auf wenigstens einer der folgenden Ausführungsformen basieren. Insbesondere könnten Kombinationen der folgenden Merkmale der folgenden Ausführungsformen genutzt werden, um ein gewünschtes Ergebnis zu erreichen. Die Merkmale des Verfahrens könnten mit einem oder mehreren beliebigen Merkmalen der Vorrichtung, der Einrichtung oder des Systems kombiniert werden oder umgekehrt.The devices and methods provided here can in particular be based on at least one of the following embodiments. In particular, combinations of the following features of the following embodiments could be used to achieve a desired result. The features of the method could be combined with one or more arbitrary features of the device, device or system, or vice versa.
Eine magnetische Winkelsensorvorrichtung ist bereitgestellt, die Folgendes beinhaltet: eine Welle, die um eine Drehachse drehbar ist; eine Magnetfeldquelle, wobei die Magnetfeldquelle mit der Welle verbunden ist; einen ersten magnetischen Winkelsensor und einen zweiten magnetischen Winkelsensor, wobei der erste magnetische Winkelsensor ein erstes Signal, das einen ersten Winkel repräsentiert, basierend auf einem ersten diametralen Magnetfeld, das an den ersten magnetischen Winkelsensor angelegt wird, erzeugt, wobei der zweite magnetische Winkelsensor ein zweites Signal, das einen zweiten Winkel repräsentiert, basierend auf einem zweiten diametralen Magnetfeld, das an den zweiten magnetischen Winkelsensor angelegt wird, erzeugt, und wobei ein kombinierter Drehwinkel basierend auf dem ersten Signal und auf dem zweiten Signal bestimmt wird.A magnetic angle sensor device is provided including: a shaft rotatable about a rotation axis; a magnetic field source, the magnetic field source being connected to the shaft; a first magnetic angle sensor and a second magnetic angle sensor, the first magnetic angle sensor generating a first signal representing a first angle based on a first diametrical magnetic field applied to the first magnetic angle sensor, the second magnetic angle sensor generating a second Signal representing a second angle based on a second diametrical magnetic field applied to the second magnetic angle sensor, generated, and wherein a combined angle of rotation is determined based on the first signal and on the second signal.
Insbesondere ist der erste Winkel ein erster Fehlerwinkel basierend auf dem ersten diametralen Magnetfeld von der Magnetfeldquelle und einem Störungsmagnetfeld, die beide an den ersten magnetischen Winkelsensor angelegt werden, wobei das Störungsmagnetfeld bewirkt, dass ein erster resultierender Magnetfeldvektor um den ersten Fehlerwinkel von einem ersten Magnetzielfeldvektor abweicht. Gleichermaßen ist der zweite Winkel ein zweiter Fehlerwinkel basierend auf einem zweiten diametralen Magnetfeld von der Magnetfeldquelle und dem Störungsmagnetfeld, die beide an den zweiten magnetischen Winkelsensor angelegt werden, wobei das Störungsmagnetfeld bewirkt, dass ein zweiter resultierender Magnetfeldvektor um den zweiten Fehlerwinkel von einem zweiten Magnetzielfeldvektor abweicht.In particular, the first angle is a first error angle based on the first diametrical magnetic field from the magnetic field source and a disturbance magnetic field, both of which are applied to the first magnetic angle sensor, the disturbance magnetic field causing a first resulting magnetic field vector to deviate by the first error angle from a first magnetic target field vector . Likewise, the second angle is a second error angle based on a second diametrical magnetic field from the magnetic field source and the disturbance magnetic field, both of which are applied to the second magnetic angle sensor, the disturbance magnetic field causing a second resulting magnetic field vector to deviate from a second target magnetic field vector by the second error angle .
In Fällen, in denen ein dritter magnetischer Winkelsensor bereitgestellt ist, ist der dritte magnetische Winkelsensor zum Erzeugen eines dritten Signals konfiguriert, das einen dritten Fehlerwinkel basierend auf einem dritten diametralen Magnetfeld von der Magnetfeldquelle und dem Störungsmagnetfeld repräsentiert, die beide an den dritten magnetischen Winkelsensor angelegt werden, wobei das Störungsmagnetfeld bewirkt, dass ein dritter resultierender Magnetfeldvektor um den dritten Fehlerwinkel von einem dritten Magnetzielfeldvektor abweicht. Der erste Magnetzielfeldvektor, der zweite Magnetzielfeldvektor und der dritte Magnetzielfeldvektor können in derselben Richtung orientiert sein.In cases where a third magnetic angle sensor is provided, the third magnetic angle sensor is configured to generate a third signal representing a third error angle based on a third diametrical magnetic field from the magnetic field source and the disturbance magnetic field, both of which are applied to the third magnetic angle sensor wherein the disturbance magnetic field causes a third resulting magnetic field vector to deviate from a third target magnetic field vector by the third error angle. The first target magnetic field vector, the second target magnetic field vector and the third target magnetic field vector can be oriented in the same direction.
Ein Kombinationsschaltkreis (z. B. eine Kombinationslogik, ein Prozessor und/oder ein Mikrocontroller) kann mit dem ersten magnetischen Winkelsensor und dem zweiten magnetischen Winkelsensor wirkverbunden sein und zum Empfangen des ersten Signals und des zweiten Signals und zum Bestimmen des kombinierten Drehwinkels basierend auf dem ersten Signal und auf dem zweiten Signal konfiguriert sein. Insbesondere ist der Kombinationsschaltkreis zum Bestimmen des ersten Fehlerwinkels und des zweiten Fehlerwinkels aus dem ersten Signal bzw. dem zweiten Signal und zum Bestimmen des kombinierten Drehwinkels basierend auf dem ersten Fehlerwinkel und dem zweiten Fehlerwinkel konfiguriert. Der Prozessor kann zum Erzeugen eines Messsignals konfiguriert sein, das den kombinierten Drehwinkel repräsentiert. Der Prozessor kann das Messsignal, das den kombinierten Drehwinkel repräsentiert, zur weiteren Verarbeitung verwenden und/oder kann das Messsignal an eine andere Vorrichtung ausgeben.A combination circuit (e.g. a combination logic, a processor and / or a microcontroller) can be operatively connected to the first magnetic angle sensor and the second magnetic angle sensor and for receiving the first signal and the second signal and for determining the combined angle of rotation based on the first signal and configured on the second signal. In particular, the combination circuit is configured to determine the first error angle and the second error angle from the first signal and the second signal and to determine the combined rotation angle based on the first error angle and the second error angle. The processor can be configured to generate a measurement signal that represents the combined angle of rotation. The processor can use the measurement signal, which represents the combined angle of rotation, for further processing and / or can output the measurement signal to another device.
Die Magnetfeldquelle ist insbesondere starr an der Welle angebracht.The magnetic field source is particularly rigidly attached to the shaft.
Jeder der magnetischen Winkelsensoren kann ein Magnetfeldwinkelsensor sein.Each of the magnetic angle sensors can be a magnetic field angle sensor.
Das Magnetfeld ist ein Vektor an jedem Punkt. Dieser Vektor kann in einen Vektor parallel zu der Drehachse und einen Vektor orthogonal zu der Drehachse zerlegt werden. Der Letztere ist das diametrale Magnetfeld.The magnetic field is a vector at each point. This vector can be broken down into a vector parallel to the axis of rotation and a vector orthogonal to the axis of rotation. The latter is the diametrical magnetic field.
Falls ein Chip mit seiner Hauptoberfläche senkrecht zu der Drehachse orientiert ist und magnetoresistive Elemente auf seine Hauptoberfläche gesputtert sind, reagieren diese Elemente auf diametrale Magnetfelder. Derselbe Chip kann vertikale Hall-Effekt-Vorrichtungen umfassen, die ebenfalls auf diametrale Magnetfeldkomponenten reagieren. Im Gegensatz dazu reagieren Hall-Platten, falls sie senkrecht zu der Drehachse orientiert sind, auf die axiale Magnetfeldkomponente.If a chip is oriented with its main surface perpendicular to the axis of rotation and magnetoresistive elements are sputtered onto its main surface, these elements react to diametrical magnetic fields. The same chip can include vertical Hall effect devices that also respond to diametrical magnetic field components. In contrast to this, Hall plates, if they are oriented perpendicular to the axis of rotation, react to the axial magnetic field component.
In der Praxis kann der Chip aufgrund von Zusammenbautoleranzen um wenige Grad geneigt sein. Falls die Hauptoberfläche eines Chips nicht exakt senkrecht zu der Drehachse ist, reagieren die magnetoresistiven Elemente auf seiner Hauptoberfläche hauptsächlich auf die diametrale Magnetfeldkomponente, aber auch ein wenig auf die axiale Magnetfeldkomponente. Solange die Normale zu der Hauptchipoberfläche um weniger als 10° von der Richtung der Drehachse abweicht, sehen die magnetoresistiven Elemente im Wesentlichen immer noch die diametralen Magnetfeldkomponenten und nur vernachlässigbare axiale Magnetfeldkomponenten.In practice, the chip may be tilted a few degrees due to assembly tolerances. If the main surface of a chip is not exactly perpendicular to the axis of rotation, the magnetoresistive elements on its main surface react mainly to the diametrical magnetic field component, but also a little to the axial magnetic field component. As long as the normal to the main chip surface deviates from the direction of the axis of rotation by less than 10 °, the magnetoresistive elements essentially still see the diametrical magnetic field components and only negligible axial magnetic field components.
Als eine Option können vertikale Hall-Effekt-Vorrichtungen verwendet werden, weil sie ebenfalls hauptsächlich die diametralen Magnetfeldkomponenten, d. h. die Magnetfeldkomponenten parallel zu der Hauptchipoberfläche, die im Wesentlichen orthogonal zu der Drehachse ist, detektieren.As an option, vertical Hall effect devices can be used because they also mainly deal with the diametrical magnetic field components, e.g. H. detect the magnetic field components parallel to the main chip surface which is substantially orthogonal to the axis of rotation.
Das präsentierte Beispiel kann gegenüber magnetischen Störungsfeldern besonders robust sein. Jedoch ist der in
Allgemein ist ein differentielles Magnetfeld ein Feld, das eine Felddifferenz zwischen den zwei Erfassungspositionen aufweist, die entlang einer Richtung des Feldgradienten (z. B. entlang der Richtung der Drehachse
Die zwei Winkelsensoren
Der Magnet
Der Magnetfeldgradient B nimmt mit einem zunehmenden Abstand d von dem Magneten
Von dem Kreuzungspunkt
Entsprechend ist ein differentielles Magnetzielfeld durch Pfeile
Gleichermaßen nimmt die Größe des diametralen Magnetfeldes B mit zunehmendem Abstand d von dem Kreuzungspunkt
Gemäß dieser Magnetanordnung wird ein Magnetfeld mit einem stärkeren Magnetfeldgradienten in einem Bereich realisiert, in dem die Winkelsensoren
In Anwesenheit eines homogenen Störungsfeldes können die Winkelsensoren
Beide Winkel des ersten Sensors
Es gibt auch einen Weg zum Optimieren des Kompensationsfaktors c in Abhängigkeit von der Feldbeziehung zu jedem Sensor im Normalbetrieb, um einen abschließenden Ausgabewinkelfehler ε von null zu bestimmen:
In diesem Fall kann der optimale Kompensationsfaktor c durch Folgendes bestimmt werden:
Entsprechend ist der Kombinationsschaltkreis zum Bestimmen eines ersten Fehlerwinkels und eines zweiten Fehlerwinkels aus einem ersten Signal, das von dem ersten Sensor
Die Magneten
Außerdem beinhaltet das Doppelmagnetsystem
Das Doppelmagnetsystem
Die zwei Winkelsensoren
In diesem Fall weisen die entgegengesetzt orientierten Teile des Magnetfeldgradienten einen gleichen Betrag, aber umgekehrte Vorzeichen auf. Jedoch ist es auch möglich, die Sensoren
Alternativ dazu kann die Magnetanordnung
Die offene Endfläche
Die Sensoren
Insbesondere ist der Sensor
Die Sensoren
Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass PCB-basierte Lösungen an dem Ende der Welle verwendet werden können und der Feldgradient auf der Außenseite dieses Aufbaus zur externen Feldkompensation verwendet werden kann. Die Orientierung des Substrats mit einer gestapelten Sensoranordnung kann auch bei den in
Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass PCB-basierte Lösungen an dem Ende der Welle verwendet werden können und der Feldgradient auf der Außenseite dieses Aufbaus zur externen Feldkompensation verwendet werden kann. Gleichermaßen kann der nichtmagnetische Abstandshalter
In Anbetracht davon wird ein differentieller magnetischer Winkelmessaufbau und Magnet verwendet, um eine Unterdrückung einer externen Feldstörung zusammen mit hoher Genauigkeit in dem Fall keiner externen Feldstörung zu ermöglichen.In view of this, a differential magnetic angle measuring structure and magnet are used to enable suppression of external field disturbance along with high accuracy in the case of no external field disturbance.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen bestimmt/erzeugt der erste magnetische Winkelsensor das erste Signal, das den ersten Winkel zwischen dem ersten diametralen Magnetfeld, das an den ersten magnetischen Winkelsensor angelegt wird, und einer ersten Referenzrichtung repräsentiert, und bestimmt/erzeugt der zweite magnetische Winkelsensor das zweite Signal, das den zweiten Winkel zwischen dem zweiten diametralen Magnetfeld, das an den zweiten magnetischen Winkelsensor angelegt wird, und einer zweiten Referenzrichtung repräsentiert.According to one or more embodiments, the first magnetic angle sensor determines / generates the first signal that represents the first angle between the first diametrical magnetic field applied to the first magnetic angle sensor and a first reference direction, and the second magnetic angle sensor determines / generates that second signal representing the second angle between the second diametrical magnetic field applied to the second magnetic angle sensor and a second reference direction.
Bei einer Ausführungsform sind die erste Referenzrichtung und die zweite Referenzrichtung gleich.In one embodiment, the first reference direction and the second reference direction are the same.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet die magnetische Winkelsensorvorrichtung einen dritten magnetischen Winkelsensor, wobei der dritte magnetische Winkelsensor ein drittes Signal, das einen dritten Winkel repräsentiert, basierend auf einem dritten diametralen Magnetfeld, das an den dritten magnetischen Winkelsensor angelegt wird, bestimmt/erzeugt, und wobei der kombinierte Drehwinkel basierend auf dem ersten Signal, dem zweiten Signal und dem dritten Signal bestimmt wird.In one embodiment, the magnetic angle sensor device includes a third magnetic angle sensor, wherein the third magnetic angle sensor determines / generates a third signal representing a third angle based on a third diametrical magnetic field applied to the third magnetic angle sensor, and wherein the combined angle of rotation is determined based on the first signal, the second signal and the third signal.
Es besteht eine Möglichkeit, dass mehr als drei magnetische Winkelsensoren bereitgestellt sind, um den kombinierten Drehwinkel zu bestimmen.There is a possibility that more than three magnetic angle sensors are provided to determine the combined rotation angle.
Bei einer Ausführungsform bestimmt der dritte magnetische Winkelsensor das dritte Signal, das den dritten Winkel zwischen dem dritten diametralen Magnetfeld, das an den dritten magnetischen Winkelsensor angelegt wird, und einer dritten Referenzrichtung repräsentiert.In one embodiment, the third magnetic angle sensor determines the third signal that represents the third angle between the third diametrical magnetic field applied to the third magnetic angle sensor and a third reference direction.
Bei einer Ausführungsform sind wenigstens zwei der folgendem gleich: die erste Referenzrichtung; die zweite Referenzrichtung; und die dritte Referenzrichtung.In one embodiment, at least two of the following are the same: the first reference direction; the second reference direction; and the third reference direction.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet die Magnetfeldquelle wenigstens einen Permanentmagneten.In one embodiment, the magnetic field source includes at least one permanent magnet.
Bei einer Ausführungsform befinden sich die magnetischen Winkelsensoren in unterschiedlichen z-Positionen (z. B. Abständen) von der Magnetfeldquelle, wobei jede z-Position als eine Senkrechte definiert ist, die von der Position des magnetischen Winkelsensors auf die Drehachse gefällt ist.In one embodiment, the magnetic angle sensors are located in different z-positions (e.g. distances) from the magnetic field source, each z-position being defined as a perpendicular that falls from the position of the magnetic angle sensor to the axis of rotation.
Die Magnetfeldquelle weist einen minimalen Abstand dmin zu dem nächsten magnetischen Winkelsensor auf. Ein Abstand zwischen diesem magnetischen Winkelsensor und einem beliebigen anderen magnetischen Winkelsensor kann insbesondere gleich oder größer als 1/5 dmin sein.The magnetic field source has a minimum distance d min to the next magnetic angle sensor. A distance between this magnetic angle sensor and any other magnetic angle sensor can in particular be equal to or greater than 1/5 d min .
Bei einer Ausführungsform beinhaltet jeder der magnetischen Winkelsensoren wenigstens ein magnetisches Sensorelement, das im Wesentlichen auf der Drehachse angeordnet oder insbesondere um weniger als 1 mm von der Drehachse beabstandet ist.In one embodiment, each of the magnetic angle sensors contains at least one magnetic sensor element which is arranged essentially on the axis of rotation or, in particular, is spaced apart from the axis of rotation by less than 1 mm.
Es kann eine Möglichkeit bestehen, dass der magnetische Winkelsensor mehrere magnetische Sensorelemente beinhaltet. Da nicht alle magnetischen Sensorelemente an genau dem gleichen Punkt angeordnet sein können, können die magnetischen Sensorelemente angrenzend an die Drehachse, insbesondere in einem symmetrischen Muster um die Drehachse herum, angeordnet sein. Es besteht auch eine Möglichkeit, ein teilweise asymmetrisches Muster zu wählen, bei dem wenigstens zwei magnetische Sensorelemente um die Drehachse herum angeordnet werden. Bei einem solchen Szenario kann der magnetische Winkelsensor einen Winkel geringfügig von der Drehachse entfernt, z. B. um 0,1 mm bis 0,2 mm (z. B. bis zu 0,2 mm), bestimmen. Eine solche Positionierung wird jedoch auch durch den Ausdruck „im Wesentlichen auf der Drehachse“ abgedeckt.There may be a possibility that the magnetic angle sensor contains several magnetic sensor elements. Since not all magnetic sensor elements can be arranged at exactly the same point, the magnetic sensor elements can be arranged adjacent to the axis of rotation, in particular in a symmetrical pattern around the axis of rotation. There is also a possibility of choosing a partially asymmetrical pattern in which at least two magnetic sensor elements are arranged around the axis of rotation. In such a scenario, the magnetic angle sensor can be an angle slightly away from the axis of rotation, e.g. E.g. by 0.1 mm to 0.2 mm (e.g. up to 0.2 mm), determine. However, such positioning is also covered by the expression “essentially on the axis of rotation”.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet jeder der magnetischen Winkelsensoren wenigstens zwei magnetische Sensorelemente, die so angeordnet sind, dass der Winkel des diametralen Feldvektors auf der Drehachse gemessen wird.In one embodiment, each of the magnetic angle sensors includes at least two magnetic sensor elements which are arranged such that the angle of the diametrical field vector is measured on the axis of rotation.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet jeder der zwei magnetischen Winkelsensoren ein magnetisches Sensorelement, wobei wenigstens ein magnetisches Sensorelement pro magnetischem Winkelsensor in einem unterschiedlichen Abstand von der Magnetfeldquelle angeordnet ist.In one embodiment, each of the two magnetic angle sensors contains a magnetic sensor element, at least one magnetic sensor element per magnetic angle sensor being arranged at a different distance from the magnetic field source.
Daher kann das Magnetfeld, das von der Magnetfeldquelle bereitgestellt wird, eine unterschiedliche Auswirkung auf jeden der magnetischen Winkelsensoren, d. h., auf wenigstens eines der magnetischen Sensorelemente der magnetischen Winkelsensoren, aufweisen.Therefore, the magnetic field provided by the magnetic field source may have a different effect on each of the magnetic angle sensors, i.e. h., on at least one of the magnetic sensor elements of the magnetic angle sensors.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet ein beliebiges der Signale zwei Signalkomponenten, insbesondere eine Sinussignalkomponente und eine Cosinussignalkomponente.In one embodiment, any one of the signals contains two signal components, in particular a sine signal component and a cosine signal component.
Zum Beispiel kann jeder der magnetischen Winkelsensoren ein Signal bereitstellen, das eine Sinussignalkomponente und eine Cosinussignalkomponente umfasst.For example, each of the magnetic angle sensors can provide a signal that includes a sine signal component and a cosine signal component.
Bei einer Ausführungsform sind die magnetischen Winkelsensoren so angeordnet, dass die diametralen Magnetfeldstärken, die auf die magnetischen Winkelsensoren wirken und durch die Magnetfeldquelle bewirkt werden, voneinander verschieden sind.In one embodiment, the magnetic angle sensors are arranged such that the diametrical magnetic field strengths that act on the magnetic angle sensors and are caused by the magnetic field source are different from one another.
Es wird angemerkt, dass die magnetischen Winkelsensoren so angeordnet sein können, dass die diametralen Magnetfeldstärken, die auf die magnetischen Winkelsensoren wirken und durch die Magnetfeldquelle verursacht werden, um wenigstens 10% voneinander verschieden sind.It is noted that the magnetic angle sensors can be arranged such that the diametrical magnetic field strengths which act on the magnetic angle sensors and are caused by the magnetic field source differ from one another by at least 10%.
Bei einer Ausführungsform sind die diametralen Magnetfelder, die auf die magnetischen Winkelsensoren wirken, zueinander parallel oder zueinander antiparallel.In one embodiment, the diametrical magnetic fields that act on the magnetic angle sensors are parallel to one another or antiparallel to one another.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet die Vorrichtung ferner einen Kombinationsschaltkreis, der die Signale kombiniert, die durch die magnetischen Winkelsensoren bereitgestellt werden, um den kombinierten Drehwinkel zu bestimmen.In one embodiment, the apparatus further includes a combination circuit that combines the signals provided by the magnetic angle sensors to determine the combined angle of rotation.
Der Kombinationsschaltkreis kann mit einem der magnetischen Winkelsensoren angeordnet sein oder er kann extern angeordnet sein. Das Kombinieren kann insbesondere durch einen Prozessor oder einen Mikrocontroller durchgeführt werden.The combination circuit can be arranged with one of the magnetic angle sensors or it can be arranged externally. The combining can in particular be carried out by a processor or a microcontroller.
Der Kombinationsschaltkreis kann das erste Signal und das zweite Signal oder das erste, das zweite und das dritte Signal kombinieren, um den kombinierten Drehwinkel abzuleiten.The combining circuit may combine the first signal and the second signal or the first, the second and the third signals to derive the combined angle of rotation.
Der kombinierte Drehwinkel ist ein Ausgabesignal, das die Drehposition der Welle angibt.The combined angle of rotation is an output signal that indicates the rotational position of the shaft.
Bei einer Ausführungsform wird der kombinierte Drehwinkel als eine Linearkombination, die das erste Signal und das zweite Signal umfasst, bestimmt.In one embodiment, the combined angle of rotation is determined as a linear combination that includes the first signal and the second signal.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet die Linearkombination Koeffizienten, die von einem Verhältnis der diametralen Magnetfelder der Magnetfeldquelle an den magnetischen Winkelsensoren abhängen.In one embodiment, the linear combination contains coefficients which depend on a ratio of the diametrical magnetic fields of the magnetic field source at the magnetic angle sensors.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet die Linearkombination Koeffizienten, die nur von einem Verhältnis der diametralen Magnetfelder der Magnetfeldquelle an den magnetischen Winkelsensoren abhängen.In one embodiment, the linear combination contains coefficients that only depend on a ratio of the diametrical magnetic fields of the magnetic field source at the magnetic angle sensors.
Bei einer Ausführungsform wird der kombinierte Drehwinkel basierend auf einem Abstand der magnetischen Winkelsensoren von der Magnetfeldquelle bestimmt.In one embodiment, the combined angle of rotation is determined based on a distance between the magnetic angle sensors and the magnetic field source.
Zum Beispiel wird der kombinierte Drehwinkel basierend auf dem Verhältnis der diametralen Magnetfelder an dem zweiten im Vergleich zu dem ersten magnetischen Winkelsensor und an dem dritten im Vergleich zu dem ersten magnetischen Winkelsensor (im Fall von drei magnetischen Winkelsensoren) bestimmt.For example, the combined angle of rotation is determined based on the ratio of the diametrical magnetic fields at the second compared to the first magnetic angle sensor and at the third compared to the first magnetic angle sensor (in the case of three magnetic angle sensors).
Der kombinierte Drehwinkel kann insbesondere indirekt basierend auf dem Abstand der magnetischen Winkelsensoren von der Magnetfeldquelle bestimmt werden. The combined angle of rotation can in particular be determined indirectly based on the distance between the magnetic angle sensors and the magnetic field source.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen befinden sich wenigstens zwei der magnetischen Winkelsensoren auf zwei unterschiedlichen Substraten, wobei eine Hauptoberfläche wenigstens eines Substrats senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu der Drehachse ist.According to one or more embodiments, at least two of the magnetic angle sensors are located on two different substrates, a main surface of at least one substrate being perpendicular or substantially perpendicular to the axis of rotation.
Bei einer Ausführungsform befinden sich die wenigstens zwei Substrate auf der Drehachse der Welle.In one embodiment, the at least two substrates are on the axis of rotation of the shaft.
Bei einer Ausführungsform sind die wenigstens zwei Substrate an einem einzigen Leiterrahmen angebracht.In one embodiment, the at least two substrates are attached to a single lead frame.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen befinden sich wenigstens zwei der magnetischen Winkelsensoren auf demselben Substrat und ist die Hauptoberfläche dieses Substrats orthogonal oder im Wesentlichen orthogonal zu der Drehachse der Welle.According to one or more embodiments, at least two of the magnetic angle sensors are located on the same substrate and the main surface of this substrate is orthogonal or substantially orthogonal to the axis of rotation of the shaft.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet jeder der magnetischen Winkelsensoren wenigstens eines aus der folgenden Gruppe von Sensorelementen: einen anisotropen Magnetowiderstand (AMR: Anisotropic Magneto-Resistor); einen Riesenmagnetowiderstand (GMR: Giant Magneto-Resistor); einen Tunnelmagnetowiderstand (TMR: Tunneling Magneto-Resistor); eine vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung; eine Hall-Platte; und/oder einen MAG-FET.According to one or more embodiments, each of the magnetic angle sensors contains at least one from the following group of sensor elements: an anisotropic magnetoresistance (AMR: Anisotropic Magneto-Resistor); a Giant Magneto-Resistor (GMR); a tunneling magnetoresistance (TMR: Tunneling Magneto-Resistor); a vertical Hall effect device; a hall plate; and / or a MAG-FET.
Die magnetischen Winkelsensoren können unterschiedliche Technologien (d. h. unterschiedliche Typen von Sensoren) aufweisen, um die Robustheit und Diversität des Systems zu erhöhen. Zum Beispiel kann einer der Winkelsensoren ein TMR sein und kann ein anderer Winkelsensor ein AMR oder ein vertikaler Hall-Sensor sein. Die Verwendung unterschiedlicher Technologien kann das Risiko verringern, dass beide Winkelsensoren unter schwierigen Bedingungen versagen.The magnetic angle sensors can have different technologies (i.e. different types of sensors) in order to increase the robustness and diversity of the system. For example, one of the angle sensors can be a TMR and another angle sensor can be an AMR or a vertical Hall sensor. Using different technologies can reduce the risk that both angle sensors will fail under difficult conditions.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ist ein Verfahren zum Bestimmen eines kombinierten Drehwinkels einer Welle bereitgestellt, wobei die Welle um eine Drehachse drehbar angeordnet ist und wobei eine Magnetfeldquelle mit der Welle verbunden ist. Das Verfahren beinhaltet Folgendes: Bestimmen, durch einen ersten magnetischen Winkelsensor, eines ersten Signals, das einen ersten Winkel repräsentiert, basierend auf einem ersten diametralen Magnetfeld von der Magnetfeldquelle, das an den ersten magnetischen Winkelsensor angelegt wird; Bestimmen, durch einen zweiten magnetischen Winkelsensor, eines zweiten Signals, das einen zweiten Winkel repräsentiert, basierend auf einem zweiten diametralen Magnetfeld von der Magnetfeldquelle, das an den zweiten magnetischen Winkelsensor angelegt wird; und Bestimmen des kombinierten Drehwinkels basierend auf dem ersten Signal und auf dem zweiten Signal.According to one or more embodiments, a method for determining a combined angle of rotation of a shaft is provided, wherein the shaft is arranged rotatably about an axis of rotation and wherein a magnetic field source is connected to the shaft. The method includes: determining, by a first magnetic angle sensor, a first signal representing a first angle based on a first diametrical magnetic field from the magnetic field source applied to the first magnetic angle sensor; Determining, by a second magnetic angle sensor, a second signal representing a second angle based on a second diametrical magnetic field from the magnetic field source applied to the second magnetic angle sensor; and determining the combined angle of rotation based on the first signal and on the second signal.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren ferner Folgendes: Bestimmen, durch einen dritten magnetischen Winkelsensor, eines dritten Signals, das einen dritten Winkel repräsentiert, basierend auf einem dritten diametralen Magnetfeld von der Magnetfeldquelle, das an den dritten magnetischen Winkelsensor angelegt wird; und Bestimmen des kombinierten Drehwinkels basierend auf dem ersten Signal, dem zweiten Signal und dem dritten Signal.In one embodiment, the method further includes: determining, by a third magnetic angle sensor, a third signal representing a third angle based on a third diametrical magnetic field from the magnetic field source applied to the third magnetic angle sensor; and determining the combined angle of rotation based on the first signal, the second signal, and the third signal.
Außerdem ist ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt, das direkt in einen Speicher einer digitalen Verarbeitungsvorrichtung ladbar ist, einschließlich Softwarecodeteilen, die ermöglichen, dass die digitale Verarbeitungsvorrichtung ein oder mehrere hier beschriebene Verfahren durchführt.In addition, a computer program product is provided that can be loaded directly into a memory of a digital processing device, including software code portions that enable the digital processing device to carry out one or more methods described herein.
Ferner ist ein computerlesbares Medium mit computerausführbaren Anweisungen bereitgestellt, die dazu eingerichtet sind, zu bewirken, dass ein Computersystem ein oder mehrere hier beschriebene Verfahren durchführt.Furthermore, a computer-readable medium is provided with computer-executable instructions which are configured to cause a computer system to carry out one or more methods described herein.
Bei einem oder mehreren Beispielen können die hier beschriebenen Funktionen wenigstens teilweise in Hardware implementiert sein, wie etwa als spezielle Hardwarekomponenten oder als ein Prozessor. Allgemeiner können die Techniken in Hardware, Prozessoren, Software, Firmware oder einer beliebigen Kombination davon implementiert sein. Falls sie in Software implementiert sind, können die Funktionen als eine oder mehrere Anweisungen oder ein Code auf einem computerlesbaren Medium gespeichert oder über ein solches übertragen werden und können durch eine hardwarebasierte Verarbeitungseinheit ausgeführt werden. Computerlesbare Medien können computerlesbare Speichermedien beinhalten, die einem greifbaren Medium, wie etwa Datenspeichermedien, oder Kommunikationsmedien einschließlich eines beliebigen Mediums entsprechen, das einen Transfer eines Computerprogramms von einer Stelle zu einer anderen, z. B. gemäß einem Kommunikationsprotokoll, ermöglicht. Auf diese Weise können computerlesbare Medien allgemein (1) greifbaren, computerlesbaren Speichermedien, die nichtflüchtig sind, oder (2) einem Kommunikationsmedium, wie etwa einem Signal oder einer Trägerwelle, entsprechen. Datenspeichermedien können beliebige verfügbare Medien sein, auf die von einem oder mehreren Computern oder von einem oder mehreren Prozessoren zugegriffen werden kann, um Anweisungen, Code und/oder Datenstrukturen zur Implementierung der in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken abzurufen. Ein Computerprogrammprodukt kann ein computerlesbares Medium beinhalten.In one or more examples, the functions described herein can be implemented at least in part in hardware, such as special hardware components or as a processor. More generally, the techniques can be implemented in hardware, processors, software, firmware, or any combination thereof. If implemented in software, the functions can be stored as one or more instructions or code on or transmitted via a computer-readable medium and can be carried out by a hardware-based processing unit. Computer readable media can include computer readable storage media that is tangible, such as data storage media, or communication media, including any medium correspond to a transfer of a computer program from one place to another, e.g. B. according to a communication protocol, allows. In this manner, computer readable media can generally correspond to (1) tangible computer readable storage media that is non-transitory, or (2) a communication medium such as a signal or carrier wave. Data storage media can be any available media that can be accessed by one or more computers or by one or more processors to retrieve instructions, code, and / or data structures for implementing the techniques described in this disclosure. A computer program product can include a computer readable medium.
Als Beispiel und nicht als Beschränkung können derartige computerlesbare Speichermedien RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM oder andere optische Plattenspeicher, magnetische Plattenspeicher oder andere magnetische Speichervorrichtungen, Flash-Speicher oder ein beliebiges anderes Medium, das zum Speichern eines gewünschten Programmcodes in Form von Anweisungen oder Datenstrukturen verwendet werden kann und auf das von einem Computer zugegriffen werden kann, umfassen. Ebenfalls wird eine beliebige Verbindung ordnungsgemäß als ein computerlesbares Medium, d. h. als ein computerlesbares Übertragungsmedium, bezeichnet. Falls zum Beispiel Anweisungen von einer Website, einem Server oder einer anderen fernen Quelle unter Verwendung eines Koaxialkabels, eines Glasfaserkabels, einer verdrillten Doppelleitung (Twisted Pair), eines digitalen Teilnehmeranschlusses (DSL - Digital Subscriber Line) oder drahtloser Technologien, wie etwa Infrarot, Funk und Mikrowellen, übertragen werden, dann sind das Koaxialkabel, das Glasfaserkabel, die verdrillte Doppelleitung, der DSL oder die drahtlosen Technologien, wie etwa Infrarot, Funk und Mikrowellen, in der Definition von Medium eingeschlossen. Es versteht sich allerdings, dass computerlesbare Speichermedien und Datenspeichermedien keine Verbindungen, Trägerwellen, Signale oder andere transiente Medien beinhalten, sondern stattdessen auf nichttransiente, greifbare Speichermedien abzielen. Disk und Disc beinhalten, so wie sie hier verwendet werden, eine Compact Disc (CD), eine Laser Disc, eine optische Disc, eine Digital Versatile Disc (DVD), eine Floppy-Disk und eine Blu-ray Disc, wobei Disks Daten üblicherweise magnetisch reproduzieren, wohingegen Discs Daten optisch mit Lasern reproduzieren. Kombinationen des Obigen sollten ebenfalls innerhalb des Umfangs von computerlesbaren Medien enthalten sein.By way of example and not limitation, such computer readable storage media may include RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM or other optical disk storage, magnetic disk storage or other magnetic storage device, flash memory, or any other medium capable of storing a desired program code in the form of instructions or data structures that can be used and accessed by a computer. Any connection is also properly identified as a computer readable medium, i.e. H. referred to as a computer readable transmission medium. For example, if receiving instructions from a website, server, or other remote source using coaxial cable, fiber optic cable, twisted pair, digital subscriber line (DSL), or wireless technologies such as infrared, radio and microwaves, then coaxial cable, fiber optic cable, twisted pair cable, DSL or wireless technologies such as infrared, radio and microwaves are included in the definition of medium. It should be understood, however, that computer readable storage media and data storage media do not include connections, carrier waves, signals, or other transient media, but instead target non-transient, tangible storage media. As used herein, a disc and a disc include a compact disc (CD), a laser disc, an optical disc, a digital versatile disc (DVD), a floppy disc, and a Blu-ray disc, with discs usually being data reproduce magnetically, whereas discs reproduce data optically with lasers. Combinations of the above should also be included within the scope of computer readable media.
Anweisungen können durch einen oder mehrere Prozessoren ausgeführt werden, wie etwa durch eine oder mehrere zentrale Verarbeitungseinheiten (CPU - Central Processing Unit), Digitalsignalprozessoren (DSPs), Allzweck-Mikroprozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASICs - Application Specific Integrated Circuits), vor Ort programmierbare Logikarrays (FPGAs - Field Programmable Logic Arrays), oder eine andere äquivalente integrierte oder diskrete Logikschaltungsanordnung. Dementsprechend kann sich der Ausdruck „Prozessor“, so wie er hier verwendet wird, auf eine beliebige der vorausgehenden Strukturen oder eine beliebige andere für eine Implementation der vorliegend beschriebenen Techniken geeignete Struktur beziehen. Außerdem kann die hier beschriebene Funktionalität bei manchen Aspekten innerhalb dedizierter Hardware- und/oder Softwaremodule bereitgestellt sein, die zum Codieren und Decodieren konfiguriert sind, oder in einen kombinierten Codec eingebunden sein. Auch könnten die Techniken vollständig in einem oder mehreren Schaltkreisen oder Logikelementen implementiert sein.Instructions can be executed by one or more processors, such as one or more central processing units (CPU), digital signal processors (DSPs), general purpose microprocessors, application specific integrated circuits (ASICs), field programmable Field Programmable Logic Arrays (FPGAs), or other equivalent integrated or discrete logic circuitry. Accordingly, as used herein, the term "processor" may refer to any of the preceding structures or any other structure suitable for implementing the techniques described herein. In addition, in some aspects, the functionality described herein may be provided within dedicated hardware and / or software modules configured for encoding and decoding, or incorporated into a combined codec. The techniques could also be implemented entirely in one or more circuits or logic elements.
Die Techniken dieser Offenbarung können in einer breiten Vielfalt von Vorrichtungen oder Einrichtungen implementiert werden, einschließlich eines drahtlosen Handapparats, eines integrierten Schaltkreises (IC) oder eines Satzes von ICs (z. B. eines Chipsatzes). Verschiedene Komponenten, Module oder Einheiten werden in dieser Offenbarung beschrieben, um funktionale Aspekte von Vorrichtungen zu betonen, die dazu konfiguriert sind, die offenbarten Techniken durchzuführen, die aber nicht notwendigerweise eine Realisierung durch verschiedene Hardwareeinheiten erfordern. Stattdessen können, wie oben beschrieben, verschiedene Einheiten in einer einzigen Hardwareeinheit kombiniert oder durch eine Sammlung von interoperativen Hardwareeinheiten bereitgestellt werden, einschließlich, wie oben beschrieben, eines oder mehrerer Prozessoren zusammen mit geeigneter Software und/oder Firmware.The techniques of this disclosure can be implemented in a wide variety of devices or devices, including a wireless handset, an integrated circuit (IC), or a set of ICs (e.g., a chipset). Various components, modules, or units are described in this disclosure in order to emphasize functional aspects of devices that are configured to perform the disclosed techniques, but that do not necessarily require implementation by different hardware units. Instead, as described above, various units may be combined into a single hardware unit or provided by a collection of interoperative hardware units including, as described above, one or more processors along with suitable software and / or firmware.
Obwohl verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung offenbart wurden, wird es einem Fachmann ersichtlich sein, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, die manche der Vorteile der Erfindung erzielen werden, ohne von der Idee und dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Es wird für einen Durchschnittsfachmann offensichtlich sein, dass andere Komponenten, die die gleichen Funktionen durchführen, zweckmäßig ersetzt werden können. Es sei erwähnt, dass Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine spezielle Figur erklärt wurden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, selbst in jenen Fällen, in denen dies nicht ausdrücklich erwähnt wurde. Ferner können die Verfahren der Erfindung entweder in reinen Softwareimplementierungen unter Verwendung der geeigneten Prozessoranweisungen oder in Hybridimplementierungen, die eine Kombination von Hardwarelogik und Softwarelogik nutzen, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen, erzielt werden. Derartige Modifikationen des erfinderischen Konzepts sollen durch die angehängten Ansprüche abgedeckt werden.While various embodiments of the invention have been disclosed, it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made that will achieve some of the advantages of the invention without departing from the spirit and scope of the invention. It will be apparent to one of ordinary skill in the art that other components performing the same functions can be replaced as appropriate. It should be mentioned that features which have been explained with reference to a specific figure can be combined with features of other figures, even in those cases in which this was not expressly mentioned. Furthermore, the methods of the invention can either be implemented in software-only implementations using the appropriate processor instructions or in hybrid implementations using a combination of hardware logic and software logic use to achieve the same results. Such modifications of the inventive concept are intended to be covered by the appended claims.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R012 | Request for examination validly filed | ||
R084 | Declaration of willingness to licence |