DE102020210617A1 - Magnetfeldbasiertes winkelsensorsystem mit streufeldkompensation und verfahren zur streufeldkompensation - Google Patents

Abstract

Das hierin beschriebene innovative Konzept beschreibt ein magnetfeldbasiertes Winkelsensorsystem (100) mit einer Statorkomponente (104) und einer relativ dazu drehbaren Rotorkomponente (102), einen im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensor (110) und einen im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensor (120), wobei der im Sättigungsbetrieb arbeitende Magnetfeldsensor (110) ausgestaltet ist, um einen Drehwinkel der Rotorkomponente (102) relativ zu der Statorkomponente (104) zu bestimmen, und wobei der im Linearbetrieb arbeitende Magnetfeldsensor (120) ausgestaltet ist, um ein auf das Winkelsensorsystem (100) einwirkendes externes magnetisches Streufeld zu ermitteln. Das Winkelsensorsystem (100) weist ferner eine Steuervorrichtung (130) auf, die ausgestaltet ist, um basierend auf dem ermittelten externen magnetischen Streufeld eine Streufeld-abhängige Messabweichung bei der durchgeführten Bestimmung des Drehwinkels zu kompensieren.

Description

• Das hierin beschriebene innovative Konzept betrifft ein magnetfeldbasiertes Winkelsensorsystem, und insbesondere ein magnetfeldbasiertes Winkelsensorsystem mit integrierter Streufeldkompensation zur Reduktion und/oder Kompensation von Messabweichungen bei der Bestimmung eines Rotationswinkels zwischen einem Rotor und einem Stator.
• Winkelsensoren werden eingesetzt, um Rotationswinkel zwischen einem Stator und einem relativ dazu drehbaren Rotor zu ermitteln. Dabei kann es sich um eine Verdrehung um wenige Grad handeln, oder aber um eine Rotation von 360° und mehr. Beispielsweise kann sich der Rotor mehrfach, und teils mit sehr hohen Winkelgeschwindigkeiten, um die eigene Achse bzw. relativ zum Stator drehen.
• Derartige gattungsgemäße Winkelmesssysteme erzeugen eine, auch als y-Komponente bezeichnete, Sinus-Komponente sowie eine, auch als x-Komponente bezeichnete, Cosinus-Komponente. Der Rotationswinkel kann dann unter Anwendung der Arcustangens-Funktion (auch als arctan, atan oder tan^-1 bezeichnet) ermittelt werden, gemäß: $$\widehat{\alpha }={\text{tan}}^{-1}\frac{Y}{X}$$

  
• Derartige magnetfeldbasierte Winkelsensoren finden beispielsweise Anwendung im Automobilsektor, z.B. bei der elektrischen Kommutation von Elektromotoren. Die Anforderung an die Winkelgenauigkeit, d.h. an die Präzision der Winkelmessung, steigt hierbei fortwährend. Teilweise werden bei der Messung des Rotationswinkels Winkelabweichungen von < 0,2 ° gefordert. Die Realisierung eines derart geringen Toleranzbereichs ist in der Praxis jedoch äußerst schwierig, da insbesondere externe magnetische Streufelder zu unerwünschten Messabweichungen führen können, die die geforderte Präzision negativ beeinflussen.
• Um den negativen Einfluss dieser externen magnetischen Streufelder abzuschwächen bzw. zu kompensieren, können magnetische Abschirmungen eingesetzt werden. Das Bereitstellen und Montieren derartiger magnetischer Abschirmungen führt jedoch zu erhöhtem Arbeits- sowie Kostenaufwand bei der Konstruktion und Produktion der Applikationen.
• Um dem Bedürfnis der hohen Präzision bei der Winkelbestimmung nachzukommen, wird in der vorliegenden Offenbarung ein magnetfeldbasiertes Winkelmesssystem mit einer integrierten Streufeldkompensation sowie ein entsprechendes Verfahren zur Streufeldkompensation gemäß der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen. Ausführungsformen und weitere vorteilhafte Aspekte dieses Winkelsensors sowie des entsprechenden Verfahrens zur Streufeldkompensation sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen genannt.
• Das hierin beschriebene innovative magnetfeldbasierte Winkelsensorsystem weist eine Statorkomponente sowie eine relativ dazu drehbare Rotorkomponente auf, wobei die Rotorkomponente einen Multipolmagneten aufweist. Ferner weist das Winkelsensorsystem einen im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensor sowie einen im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensor auf, wobei der im Sättigungsbetrieb arbeitende Magnetfeldsensor ausgestaltet ist, um basierend auf dem Magnetfeld des Multipolmagneten einen Drehwinkel der Rotorkomponente relativ zu der Statorkomponente zu bestimmen. Der im Linearbetrieb arbeitende Magnetfeldsensor ist hingegen ausgestaltet, um ein auf das Winkelsensorsystem einwirkendes externes magnetisches Streufeld zu ermitteln. Das Winkelsensorsystem weist ferner eine Steuervorrichtung auf, die ausgestaltet ist, um basierend auf dem, mittels des im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors, ermittelten externen magnetischen Streufelds eine Streufeld-abhängige Messabweichung bei der, mittels des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors, durchgeführten Bestimmung des Drehwinkels zu reduzieren und/oder zu kompensieren.
• Außerdem wird ein entsprechendes Verfahren zum Reduzieren und/oder Kompensieren einer Messabweichung bei der Bestimmung eines Drehwinkels mittels eines magnetfeldbasierten Winkelsensorsystems vorgeschlagen, wobei das Verfahren einen Schritt des Bereitstellens einer Statorkomponente sowie einer relativ dazu drehbaren Rotorkomponente aufweist, wobei die Rotorkomponente einen Multipolmagneten aufweist. Ferner beinhaltet das Verfahren ein Bereitstellen eines im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors und eines im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors. Mittels des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors kann ein Drehwinkel zwischen der Rotorkomponente und der Statorkomponente bestimmt werden, und zwar basierend auf dem Magnetfeld des Multipolmagneten. Mittels des im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors kann ein auf das Winkelsensorsystem einwirkendes externes magnetisches Streufeld bestimmt werden. Basierend auf diesem ermittelten magnetischen Streufeld kann dann eine Streufeld-abhängige Messabweichung bei der Bestimmung des Drehwinkels reduziert und/oder kompensiert werden.
• Einige Ausführungsbeispiele sind exemplarisch in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematische seitliche Ansicht eines Winkelsensorsystems in einer sogenannten End-of-Shaft (EoF) Ausführung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
• 2 eine schematische Draufsicht auf ein Winkelsensorsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel,
• 3 ein schematisches Blockschaltbild zur Darstellung des hierin beschriebenen Konzepts zur Streufeldkompensation gemäß einem Ausführungsbeispiel,
• 4A-4C schematische Darstellungen zur Visualisierung der Auswirkung von magnetischen Streufeldern auf das Arbeitsmagnetfeld von im Sättigungsbetrieb arbeitenden Sensoren und im Linearbetrieb arbeitenden Sensoren,
• 5A ein schematisches Blockschaltbild zur Darstellung des hierin beschriebenen Konzepts zur Streufeldkompensation mittels pre-CORDIC gemäß einem Ausführungsbeispiel,
• 5B ein schematisches Blockschaltbild zur Darstellung des hierin beschriebenen Konzepts zur Streufeldkompensation mittels post-CORDIC gemäß einem Ausführungsbeispiel,
• 6A, 6B Funktionen von Winkelmesssignalen einer Simulation des hierin beschriebenen Konzepts zur Streufeldkompensation gemäß einem Ausführungsbeispiel,
• 7 ein schematisches Blockdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zur Streufeldkompensation gemäß einem Ausführungsbeispiel,
• 8 Diagramme zur Veranschaulichung von Ausgangssignalen eines realen und eines idealen vertikalen Halleffekt-Sensors zur Entscheidungsfindung über die korrekte Halbebene bei der Bestimmung eines elektrischen Winkels mittels eines AMR-basierten Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel,
• 9 ein Amplitudenkreis zur Veranschaulichung der Korrektur der Halbebene bei AMR-basierten Sensoren gemäß einem Ausführungsbeispiel,
• 10 ein weiterer Amplitudenkreis zur Veranschaulichung der Korrektur der Halbebene bei AMR-basierten Sensoren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
• 11 Simulationsergebnisse mit Sensorausgangssignalen mit einer Korrektur der Halbebene bei AMR-basierten Sensoren gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
• 12 Simulationsergebnisse des residualen Winkelfehlers nach Korrektur der Halbebene bei AMR-basierten Sensoren gemäß einem Ausführungsbeispiel.
• Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben, wobei Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
• Verfahrensschritte, die in einem Blockdiagramm dargestellt und mit Bezugnahme auf das selbige erläutert werden, können auch in einer anderen als der abgebildeten beziehungsweise beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Außerdem sind Verfahrensschritte, die ein bestimmtes Merkmal einer Vorrichtung betreffen mit ebendiesem Merkmal der Vorrichtung austauschbar, was ebenso anders herum gilt.
• Sofern innerhalb dieser Offenbarung von einer Kompensation, insbesondere einer Streufeldkompensation, die Rede ist, dann ist hierunter ein Abschwächen bzw. Reduzieren zu verstehen. Bei einer Streufeldkompensation handelt es sich demnach um ein Abschwächen bzw. Reduzieren einer durch das Streufeld bedingten Messabweichung. Unter dem Begriff der Kompensation kann hierin aber auch ein vollständiges Reduzieren bzw. Auslöschen einer Messabweichung verstanden werden.
• Sofern innerhalb dieser Offenbarung von einem Multipolmagneten die Rede ist, dann ist hierunter ein Magnet, und insbesondere ein Permanentmagnet, mit mindestens zwei unterschiedlichen Polen gemeint. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Dipolmagneten mit einem Nordpol und einem Südpol, um einen Quadrupol-Magneten mit zwei Nordpolen und zwei Südpolen, um einen Sextupol-Magneten mit drei Nordpolen und drei Südpolen, und dergleichen handeln. Die Pole des Multipolmagneten können sich, zum Beispiel diametral, gegenüberliegen. Der Multipolmagnet kann unterschiedliche geometrische Formen aufweisen. Beispielweise kann der Multipolmagnet eine ringförmige Gestalt aufweisen. Im Übrigen gilt alles, was hierin am Beispiel eines Dipolmagneten beschrieben ist, gleichsam auch für Multipolmagneten. Selbiges gilt auch anders herum.
• 1 zeigt ein magnetfeldbasiertes Winkelsensorsystem 100 gemäß einer beispielhaften Anordnung. Hierbei handelt es sich um eine sogenannte End-of-Shaft (EoS) Anordnung, bei der ein Multipolmagnet 101 am Ende einer drehbaren Welle 102 angeordnet ist. In diesem nicht-limitierenden Beispiel kann es sich bei dem Multipolmagneten 101 um einen zweipoligen Magneten (Dipolmagnet) handeln. Die drehbare Welle 102 ist in diesem Falle eine Rotorkomponente, die sich um die Drehachse 105 herum dreht.
• Gegenüberliegend von dem Multipolmagneten 101 ist ein Package 103 angeordnet. Das Package 103 kann auf einer Statorkomponente 104, zum Beispiel einer Printplatte (PCB: Printed Circuit Board) angeordnet sein. Das Package 103 kann ein Winkelsensorsystem aufweisen. Das Winkelsensorsystem kann mindestens einen Magnetfeldsensor aufweisen. Bei dem Magnetfeldsensor kann es sich um einen magnetischen Winkelsensor handeln, der ausgestaltet ist, um den aktuellen Drehwinkel des sich mit der Welle 102 (Rotorkomponente) drehenden Multipolmagneten 101 relativ zur Statorkomponente 104 zu ermitteln.
• Bei dem Magnetfeldsensor kann es sich beispielsweise um einen magnetoresistiven Magnetfeldsensor, und insbesondere um einen im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensor, handeln. Als nicht-limitierende Beispiele seien hierfür AMR-Sensoren genannt, die den anisotropen magnetoresistiven Effekt (AMR) nutzen, oder GMR-Sensoren, die den Riesenmagnetowiderstands-Effekt (GMR) nutzen, oder CMR-Sensoren, die den kolossalen magnetoresistiven Effekt (CMR) nutzen, oder TMR-Sensoren, die den magnetischen Tunnelwiderstands-Effekt (TMR) nutzen, sogenannte TMR-Sensoren. Innerhalb der hier vorliegenden Offenbarung werden diese Arten von magnetoresistiven, im Sättigungsbetrieb arbeitenden, Magnetfeldsensoren auch unter dem Kürzel xMR-Sensoren zusammengefasst.
• Derartige im Sättigungsbetrieb arbeitende Magnetfeldsensoren erzeugen eine, auch als y-Komponente bezeichnete, Sinus-Komponente sowie eine, auch als x-Komponente bezeichnete, Cosinus-Komponente. Der Rotationswinkel zwischen der Rotorkomponente und der Statorkomponente kann dann unter Nutzung der Arcustangens-Funktion (auch als arctan, Atan oder tan^-1 bezeichnet) ermittelt werden, gemäß: $$\widehat{\alpha }={\text{tan}}^{-1}\frac{Y}{X}$$

  
• Die xMR-Sensoren weisen einen sehr guten Signal-zu-Rausch-Abstand (SNR: Signal to Noise Ratio) auf. AMR-Sensoren weisen darüber hinaus eine hervorragende Stabilität gegenüber Phasendrift und Fehlern bezüglich den Harmonischen höherer Ordnung auf. Allerdings sind AMR-Sensoren begrenzt auf einen Winkelbereich von 180°, d.h. AMR-Sensoren liefern nur in einem Bereich von 180° eindeutige Ergebnisse bezüglich des zu messenden Rotationswinkels. Außerdem können AMR-Sensoren gelegentlich Drifts in ihrer Ausgangssignal-Amplitude sowie einen erkennbaren Offset aufweisen.
• Alternativ oder zusätzlich kann das in 1 abgebildete Winkelsensorsystem einen im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensor aufweisen. Als nicht-limitierende Beispiele seien hierfür Hall-Sensoren oder aber auch im Linearbetrieb arbeitende xMR-Sensoren genannt. Hall-Sensoren weisen eine hervorragende Linearität auf. Außerdem können Hall-Sensoren eine Offset-Kompensation aufweisen (z.B. Current Spinning), was zur Reduktion und/oder Kompensation des intrinsischen, d.h. system-inherenten, Offsets führt.
• Beide Arten der oben genannten Magnetfeldsensoren sind anfällig gegenüber externen Störfeldern, sogenannten externen magnetischen Streufeldern. Diese Streufelder führen zu Abweichungen bzw. Fehlern in der Winkelmessung. Allein das Erdmagnetfeld kann bereits zu signifikanten Abweichungen bei der Bestimmung des Rotationswinkels zwischen der Rotorkomponente und der Statorkomponente führen. So kann beispielsweise bei einem Magnetfeldsensor mit einer Arbeitsmagnetfeld-Amplitude von 20 mT bereits ein Streufeld von ca. 100 µT, was in etwa dem Erdmagnetfeld entspricht, zu Winkelfehlern von 0,3° und mehr führen.
• Zur Verbesserung dieser Problematik bei bestehenden Winkelsensorsystemen wird daher vorgeschlagen, ein Winkelsensorsystem mit integrierter Streufeldkompensation bereitzustellen. Ein Ausschnitt eines solchen innovativen Winkelsensorsystems ist beispielhaft in 2 gezeigt.
• 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein magnetfeldbasiertes Winkelsensorsystem 100 gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Konzept. Das Winkelsensorsystem 100 kann, wie zuvor unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, in einem Package 103 angeordnet sein. Das Package 103, bzw. das Winkelsensorsystem 100, kann auf einem Substrat 104, wie beispielsweise einem PCB, angeordnet sein. Das Substrat 104 kann Teil einer Statorkomponente sein.
• Das Winkelsensorsystem 100 kann mindestens einen im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensor 110 aufweisen. Der im Sättigungsbetrieb arbeitende Magnetfeldsensor 110 kann optional ein oder mehrere Sensorbrücken aufweisen, die hier in Strichlinien dargestellt und mit den Bezugszeichen 111, 112, ..., 118 versehen sind.
• Das Winkelsensorsystem 100 kann ferner mindestens einen im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensor 120 aufweisen. Das Winkelsensorsystem 100 kann optional aber auch mehrere im Linearbetrieb arbeitende Magnetfeldsensoren aufweisen, wobei hier ein weiterer derartiger Magnetfeldsensor in Strichlinien dargestellt und mit dem Bezugszeichen 121 versehen ist. Nachfolgend wird lediglich der mindestens eine im Linearbetrieb arbeitende Magnetfeldsensor 120 näher erläutert werden, wobei alle Ausführungen natürlich ebenso auch für alle anderen im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensoren 121 usw. gelten.
• Bei dem im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensor 110 kann es sich um einen xMR-Sensor handeln. xMR-basierte Winkelsensoren 110 werden für gewöhnlich in Sättigung betrieben. Sie messen den (Kosinus und Sinus des) Winkel(s) des resultierenden Magnetfelds. Diese Messmethode ist besonders gut geeignet, um einen Rotationswinkel mit hoher Auflösung zu bestimmen.
• xMR-basierte Sensoren können zwar Mittel zur intrinsischen Offset-Kompensation aufweisen, d.h. zur Kompensation von Offsets, die beispielsweise durch die Sensorelemente selbst oder den elektronischen Signalpfad bedingt sind. Allerdings sind xMR-basierte Sensoren anfällig gegenüber magnetischen Störfeldern, z.B. gegenüber externen magnetischen Streufeldern. Aufgrund des Sättigungsbetriebs ist die Quantifizierung des durch die externen magnetischen Streufelder bedingten magnetischen Offsets bei xMR-basierten Sensoren nicht uneingeschränkt möglich und dieser magnetische Offset resultiert direkt in einem endlichen Winkelfehler. Außerdem fehlt den xMR-basierten Sensoren in der Regel die Möglichkeit zur magnetischen Offset-Kompensation, d.h. zur Kompensation eines Offsets, der durch externe magnetische Streufelder bedingt ist. Diese magnetischen Offsets limitieren jedoch die erreichbare Messgenauigkeit für Standard End-of-Shaft (EoS) Anwendungen.
• Bei den hier verwendeten linearen Winkelsensoren, beziehungsweise bei im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensoren im Allgemeinen, breitet sich ein solcher magnetischer Offset linear aus. Somit kann der magnetische Offset mittels den im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensoren besonders gut quantifiziert werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn ein im Linearbetrieb arbeitender Magnetfeldsensor zudem noch eine intrinsische Offset-Kompensation aufweist (z.B. mittels Current Spinning). Ein nicht-limitierendes Beispiel für einen solchen im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensor wäre ein HallSensor, beziehungsweise ein Hall-Element. Die im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensoren weisen also minimale residuale Offsets auf. Außerdem können magnetische Streufelder sehr genau ermittelt und kompensiert werden. Die im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensoren weisen jedoch einen geringen SNR auf und sind zudem empfindlich gegenüber Änderungen der mechanischen Spannungen, insbesondere von Schubspannungen.
• Das hierin vorgeschlagene innovative Konzept sieht nun vor, ein magnetfeldbasiertes Winkelsensorsystem 100 (2) bereitzustellen, wobei dieses Winkelsensorsystem 100 mindestens einen im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensor 110 und zusätzlich mindestens einen im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensor 120 aufweist.
• Der im Sättigungsbetrieb arbeitende Magnetfeldsensor 110 kann ausgestaltet sein, um basierend auf dem Magnetfeld des Multipolmagneten 101 (1) einen Drehwinkel der Rotorkomponente 102 relativ zu der Statorkomponente 104 zu bestimmen. Der im Linearbetrieb arbeitende Magnetfeldsensor 120 kann ausgestaltet sein, um ein auf das Winkelsensorsystem 100 einwirkendes externes magnetisches Streufeld zu ermitteln.
• Das Winkelsensorsystem 100 kann ferner eine Steuervorrichtung 130 aufweisen, die ausgestaltet ist, um basierend auf dem externen magnetischen Streufeld, das mittels des im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 120 ermittelt werden kann, eine Streufeld-abhängige Messabweichung bei der Bestimmung des Drehwinkels zu reduzieren und/oder zu kompensieren, wobei die Bestimmung des Drehwinkels wiederum mittels des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 durchgeführt werden kann.
• Das heißt, eine Information über das magnetische Streufeld, das mittels des im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 120 ermittelt wird, kann dazu genutzt werden, um Messfehler bzw. Messabweichungen des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 zu reduzieren bzw. zu kompensieren.
• 3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer denkbaren Ausgestaltung zur Reduzierung bzw. Kompensation von externen magnetischen Streufeldern. Sofern hierin von magnetischen Streufeldern die Rede ist, so kann darunter verstanden werden, dass es sich um quasi-statische magnetische Streufelder handelt, d.h. um Streufelder, die sich deutlich langsamer ändern als die Rotationsfrequenz des zur Winkelmessung dienenden magnetischen Felds. Derartige magnetische Streufelder können zu einer Art konstantem Offset führen, der zu dem zur Winkelmessung dienenden magnetischen Feld hinzugefügt wird.
• Der im Linearbetrieb arbeitende Magnetfeldsensor 120 kann Ausgangssignale 310 erzeugen, die eine Abhängigkeit von einem solchen externen magnetischen Streufeld aufweisen können. Beispielsweise können die Ausgangssignale 310 unter anderem eine Abhängigkeit von der Stärke eines solchen externen magnetischen Streufelds aufweisen, d.h. je stärker das Streufeld, umso größer ist die Auswirkung auf die Ausgangssignale 310. Auf die Ausgangssignale 310 kann nun wiederum eine Autokalibrierung 320 angewendet werden. Bei der Autokalibrierung 320 kann es sich beispielsweise um eine Kalibrierung handeln, bei der ein durch das Streufeld verursachter Amplitudenversatz und/oder ein Phasenversatz und/oder ein Offset der Ausgangssignale 310 ermittelt wird.
• Bei der Autokalibrierung 320 können also Streufeld-Informationen 330 ermittelt werden. Die Streufeld-Informationen beschreiben sozusagen das Streufeld. Diese Streufeld-Informationen können dann zur Reduzierung und/oder Kompensation von Messabweichungen auf die Ausgangssignale 340 des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 angewendet werden.
• Das heißt, der im Sättigungsbetrieb arbeitende Magnetfeldsensor 110 erzeugt Ausgangssignale 340, die zur Winkelmessung zwischen der Rotorkomponente 102 und der Statorkomponente 104 herangezogen werden können. Die den Rotationswinkel repräsentierenden Ausgangssignale 340 des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 weisen eine Abhängigkeit von dem externen magnetischen Streufeld auf. Die mittels des im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 120, beziehungsweise während der Autokalibrierung 320 desselbigen, ermittelten Streufeld-Informationen 330 können dann dazu genutzt werden, um diese Abhängigkeit der Ausgangssignale 340 des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 von dem externen magnetischen Streufeld zu reduzieren bzw. zu kompensieren. Das heißt, die Streufeld-Informationen 330 können Streufeld-abhängige Parameter enthalten, die zur Kompensation bzw. Reduzierung des Messfehlers des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 genutzt werden können. Aus diesem Grund können die Streufeld-Informationen 330 auch als Streufeld-abhängige Kompensationsparameter bezeichnet werden.
• Wie eingangs bereits erwähnt wurde, kann das externe magnetische Streufeld eine Art konstanten Offset zu den Ausgangssignalen 340 des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 hinzufügen. Um diesen Offset zu reduzieren bzw. zu kompensieren, können die Streufeld-abhängigen Kompensationsparameter 330 eine Offset-Information enthalten, die aus den Ausgangssignalen 310 des im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 120 ermittelt wurde, z.B. während der Autokalibrierung 320. Alternativ oder zusätzlich können die Streufeld-abhängigen Kompensationsparameter 330 eine Amplituden-Information (z.B. Amplitudenabweichung) enthalten, die aus den Ausgangssignalen 310 des im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 120 ermittelt wurde, z.B. während der Autokalibrierung 320.
• Dies soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die 4A - 4C näher erläutert werden. Die Figuren zeigen schematisch den zuvor diskutierten Effekt eines quasi-statischen magnetischen Streufelds auf die Ausgangssignale 310, 340 eines magnetfeldbasierten Winkelsensorsystems 100 mit einen im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensor 110 und einen im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensor 120 in einer EOS Anwendung, wie sie in 1 gezeigt ist.
• 4A zeigt einen Magnetfeldvektor B_mag, der sich aus dem Multipolmagneten 101 ergibt, sowie eine dazugehörige Winkelinformation φ_mag unter dem Einfluss eines quasi-statischen magnetischen Streufelds B_stray. Das resultierende effektive Magnetfeld B_eff enthält eine abweichende Winkelinformation φ_eff. Wie durch den in durchgehenden Linien gezeigten Kreis 401 dargestellt ist, beschreibt das effektive magnetische Feld als Funktion des Winkels einen Kreis, der um den Betrag des Offsets gegenüber dem Ursprung versetzt ist.
• 4B zeigt die Systemantwort eines idealen, im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 (hier: ein GMR-Sensor) mit einer Signalamplitude S_GMR auf das effektive magnetische Feld. Der im Sättigungsbetrieb arbeitende Magnetfeldsensor 110 normalisiert die Amplitude des magnetischen Feldvektors zu seiner eigenen Signalamplitude S_GMR. Aus diesem Grund beschreibt der Output des Magnetfeldsensors 110 als Funktion des Winkels einen Kreis, dessen Zentrum im Ursprung liegt. Allerdings gehen hierbei jegliche Informationen über das externe magnetische Streufeld verloren. Das den Drehwinkel repräsentierende Ausgangssignal φ_eff enthält aber dennoch einen Winkelfehler (Messabweichung) aufgrund des magnetischen Streufelds.
• 4C zeigt die Systemantwort eines idealen, im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 120 (hier: ein Halleffekt-Sensor) mit einer Signalempfindlichkeit S_VHall auf das effektive magnetische Feld. Der im Linearbetrieb arbeitende Magnetfeldsensor 120 skaliert sozusagen den effektiven magnetischen Feldvektor aufgrund seiner Sensitivität S_VHall. Aus diesem Grund beschreibt der Output des Magnetfeldsensors 120 als Funktion des Winkels einen Kreis, dessen Zentrum gegenüber dem Ursprung um das magnetische Streufeld versetzt ist. Wie zuvor unter Bezugnahme auf 3 bereits erläutert wurde, können Streufeld-Informationen 330 ermittelt werden, beispielsweise mittels einer Autokalibrierung 320, und deren unerwünschte Auswirkungen auf das Sensor-Ausgangssignal 340 des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 können reduziert bzw. kompensiert werden, um so die ursprüngliche Winkelinformation φ_mag zu erhalten.
• Mögliche Ausführungsbeispiele zur Reduzierung bzw. Kompensation von Streufeld-bedingten Messabweichungen bei der Winkelbestimmung sollen nachfolgend mittels mathematischen Beweisen erläutert werden:
• Generell ist das effektive magnetische Feld bei einer EOS Anwendung unter dem Einfluss eines externen magnetischen Streufelds B_stray = (Bsx, Bsy)^T gegeben durch:

  $${\mathbf{B}}_{eff}\left({\phi }_{mag}\right)={\mathbf{B}}_{mag}\left({\phi }_{mag}\right)+{\mathbf{B}}_{stray}=\left(\begin{array}{c}{B}_0\text{cos}\left({\phi }_{mag}\right)+Bsx\\ B_0\text{sin}\left({\phi }_{mag}\right)+Bsy\end{array}\right).$$

  (1)

• Ein idealer, im Linearbetrieb arbeitender Magnetfeldsensor antwortet auf ein solches effektives Magnetfeld, indem er es einfach mit seiner Sensitivität skaliert, gemäß:

  $$\left(\begin{array}{c}{X}_{VHall}\\ Y_{VHall}\end{array}\right)=S_{VHall}\cdot {\mathbf{B}}_{eff}\left({\phi }_{mag}\right)=\left(\begin{array}{c}{S}_{VHall}\cdot B_0\text{cos}\left({\phi }_{mag}\right)+S_{VHall}\cdot Bsx\\ S_{VHall}\cdot B_0\text{sin}\left({\phi }_{mag}\right)+S_{VHall}\cdot Bsy\end{array}\right).$$

  (2)

• Eine Autokalibrierung (z.B. eine min/max Suche), wie sie beispielsweise zuvor unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wurde, führt zu den Streufeld-abhängigen Kompensationsparametern 330. Die Streufeld-abhängigen Kompensationsparameter 330 können beispielsweise eine Offset-Information (Ox, Oy) und/oder eine Amplituden-Information (Ax, Ay) der Ausgangssignale des im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 120 enthalten:

  $$\begin{array}{ccc}Ax=Ay=S_{VHall}\cdot B_0,& Ox=S_{VHall}\cdot Bsx,& Ox=S_{VHall}\cdot Bsy\end{array}.$$

  (3)

• Hier bezeichnet Ax = (max(X_VHall)-min(X_VHall))/2 die Amplitude, und
  Ox = (max(X_VHall)+min(X_VHall))/2 bezeichnet den Offset des x-Kanals. Ay and Oy bezeichnen die Amplitude und den Offset des y-Kanals. Zum Zwecke der Durchführung der Autokalibrierung ist es vorteilhaft, wenn zwischen der Rotor- und der Statorkomponente zumindest ein Intervall von mindestens 360° überstrichen wird. Das quasi-statische magnetische Streufeld B_stray (normalisiert mittels der Amplitude des Magnetfelds B₀) kann aus diesen Kompensationsparametern quantifiziert werden, gemäß:

  $$\frac{{\mathbf{B}}_{stray}}{B_0}=\left(\begin{array}{c}Ox/Ax\\ Oy/Ay\end{array}\right).$$

  (4)

• Die Streufeld-abhängigen Kompensationsparameter 330 können also beispielsweise ein Verhältnis zwischen der Offset-Information Ox, Oy und der Amplitudeninformation Ax, Ay aufweisen, gemäß:
• Offset-Information (x) / Amplituden-Information (x) = Ox/Ax, und
• Offset-Information (y) / Amplituden-Information (y) = Oy/Ay, und
• Wie nachfolgend gezeigt wird, reichen diese Streufeld-Informationen bzw. die darin enthaltene Offset-Information (Ox, Oy) und/oder Amplituden-Information (Ax, Ay) bereits aus, um den Effekt des quasi-statischen magnetischen Streufelds zu bestimmen und eine entsprechende Streufeldkompensation auf die Ausgangssignale 340 des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 anzuwenden.
• Ein idealer, im Sättigungsbetrieb arbeitender Magnetfeldsensor antwortet auf das effektive Magnetfeld gemäß Gleichung (1), indem er die Kosinus- und Sinus-Komponenten des effektiven Winkels generiert, gemäß:

  $$\begin{array}{l}\left(\begin{array}{c}{X}_{xMR}\\ Y_{xMR}\end{array}\right)=S_{xMR}\cdot \left(\begin{array}{c}\text{cos}\left(N_{xMR}\cdot {\phi }_{eff}\right)\\ \text{sin}\left(N_{xMR}\cdot {\phi }_{eff}\right)\end{array}\right)\\ =S_{xMR}\cdot \left(\begin{array}{c}\left(B_0\text{cos}\left(N_{xMR}\cdot {\phi }_{mag}\right)+Bsx\right)/\left|{\mathbf{B}}_{eff}\left({\phi }_{mag}\right)\right|\\ \left(B_0\text{sin}\left(N_{xMR}\cdot {\phi }_{mag}\right)+Bsy\right)/\left|{\mathbf{B}}_{eff}\left({\phi }_{mag}\right)\right|\end{array}\right).\end{array}$$

  (5)

• In Gleichung (5) wurde der Faktor N_xMR eingeführt, um zwischen den verschiedenen xMR Technologien zu unterscheiden. N_xMR = 1 für GMR- and TMR-Technologien, die eindeutige Ausgangssignale über eine volle Periode von 360° liefern, und N_xMR = 2 für AMR-Technologien, die eindeutige Ausgangssignale lediglich über ein Intervall von 180° liefern.
• Für GMR and TMR (N_xMR = 1), ergibt eine Taylor-Reihenentwicklung von Gleichung (5) bis zur ersten Ordnung von (B_stray/B₀):

  $$\begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}{X}_{xMR}\\ Y_{xMR}\end{array}\right)=S_{xMR}\cdot \left(\left(\begin{array}{c}\text{cos}\left({\phi }_{mag}\right)\\ \text{sin}\left({\phi }_{mag}\right)\end{array}\right)\cdot C_1\left({\phi }_{mag}\right)+\left(\begin{array}{c}Ox/Ax\\ Oy/Ay\end{array}\right)\right)+\sigma \left({\left(\frac{{\mathbf{B}}_{stray}}{B_0}\right)}^2\right),\\ für{N}_{xMR}=1.\end{array}$$

  (6)

• Hier wurde der Korrekturfaktor C₁(φ_mag) = (1 - Ox/Ax · cos(φ_mag) - Oy / Ay · sin(φ_mag)) eingeführt. Anschließend werden Terme höhere Ordnung $\sigma \left({\left(\frac{{\mathbf{B}}_{stray}}{B_0}\right)}^2\right)$

  

  bezeichnet durch σ(stray²). Durch Invertieren von Gleichung (6) und Vernachlässigen von Termen höherer Ordnung erhält man:

  $$\begin{array}{cc}X4=X2\cdot C2\left(X\mathrm{2,}Y2\right)-Ox/Ax+\sigma \left(stra{y}^2\right),& für{N}_{xMR}=\mathrm{1,}\\ Y4=Y2\cdot C2\left(X\mathrm{2,}Y2\right)-Oy/Ay+\sigma \left(stra{y}^2\right),& für{N}_{xMR}=1.\end{array}$$

  (7)

• Hier bezeichnet C₂(X2, Y2) = (1 + Ox/Ax · X2 + Oy/Ay · Y2) den invertierten Korrekturfaktor (bis zur ersten Ordnung), und X2 and Y2 bezeichnen die AOP-kompensierten xMR Ausgangssignale (bezüglich dem Begriff der AOP-Kompensation, siehe unten).
• Ebenso kann der Effekt des externen magnetischen Streufelds auf die den Rotationswinkel repräsentierenden Ausgangssignale 340 des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 bestimmt werden. Hierfür kann die Arcustangens-Funktion (oder arctan2) auf Gleichung (5) angewendet werden. Eine anschließende Taylor-Reihenentwicklung bis zur ersten Ordnung von (B_stray/B₀) ergibt:

  $$\begin{array}{c}{N}_{xMR}\cdot {\phi }_{eff}=\text{arctan}\left(\frac{Y_{xMR}}{X_{xMR}}\right)=\text{arctan}\left(\frac{\text{sin}\left(N_{xMR}\cdot {\phi }_{eff}\right)}{\text{cos}\left(N_{xMR}\cdot {\phi }_{eff}\right)}\right)\\ =\text{arctan}\left(\frac{B_0\text{sin}\left(N_{xMR}\cdot {\phi }_{mag}\right)+Bsy}{B_0\text{cos}\left(N_{xMR}\cdot {\phi }_{mag}\right)+Bsx}\right)\\ =N_{xMR}\cdot \left({\phi }_{mag}+\frac{Oy}{Ay}\cdot \text{cos}\left({\phi }_{mag}\right)-\frac{Ox}{Ax}\cdot \text{sin}\left({\phi }_{mag}\right)\right)\\ +\sigma \left(stra{y}^2\right).\end{array}$$

  (8)

• Im Gegensatz zu Gleichung (6), die auf AMR-Sensoren nicht uneingeschränkt anwendbar ist, gilt Gleichung (8) für GMR-, TMR- und AMR-basierte Winkelsensoren. Invertiert man nun Gleichung (8) und vernachlässigt wiederum die Terme höherer Ordnung, so erhält man:

  $$\begin{array}{c}{\phi }_{eff}=\frac{1}{N_{xMR}}\cdot \text{arctan}\left(\frac{Y2}{X2}\right)\\ {\phi }_{mag}={\phi }_{eff}+\frac{Ox}{Ax}\cdot \text{sin}\left({\phi }_{eff}\right)-\frac{Oy}{Ay}\cdot \text{cos}\left({\phi }_{eff}\right)+\sigma \left(stra{y}^2\right).\end{array}$$

  (9)

• Hier bezeichnen X2 und Y2 die AOP-kompensierten xMR Ausgangssignale (bezüglich der AOP-Kompensation, siehe unten). Für AMR-basierte Winkelsensoren ist es vorteilhaft, wenn die korrekte Halbebene zur Bestimmung des Winkels φ_eff bestimmt wird. Dies kann beispielsweise durch Abgreifen einer „Quadranten-Information“ aus dem Signalpfad des im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 120 (z.B. Halleffekt-Sensor) geschehen, oder indem der jeweilige Quadrant intern verfolgt wird.
• Wie eingangs bereits erwähnt wurde, können die im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensoren 110 den Rotationswinkel zwischen der Rotorkomponente 102 und der Statorkomponente 104 durch Berechnung der Arcustangens-Funktion der Sinus- und Kosinus-Komponenten der Ausgangssignale bestimmen, gemäß: $$\widehat{\alpha }={\text{tan}}^{-1}\frac{Y}{X}$$

  
• Die Berechnung des Rotationswinkels wird hierin auch als CORDIC bezeichnet. Für TMR- und GMR-basierte Winkelsensoren können deren AOP-kompensierten Ausgangssignale X2 = cos(φ_eff) and Y2 = sin(φ_eff) für die Berechnung des Rotationswinkels (CORDIC) direkt verwendet werden. Für AMR-basierte Winkelsensoren hingegen wird eine vorhergehende weitere CORDIC-Ausführung benötigt, um den Sinus und Kosinus des Winkels φ_eff zu berechnen.
• Die Gleichungen (3), (4), (7) und (9) bilden die Grundlage für die hierin beschriebene Autokalibrierung und Streufeldkompensation. Die Streufeldkompensation selbst kann hierbei auf unterschiedliche Weise erfolgen. Beispielsweise können die Ausgangssignale 340 des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 unter Anwendung der (mittels des im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 120 ermittelten) Streufeld-abhängigen Kompensationsparameter 330 kompensiert werden, und zwar bevor der Rotationswinkel berechnet wird (sog. pre-CORDIC). Alternativ dazu kann zuerst der Rotationswinkel aus den Ausgangssignalen 340 des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 berechnet werden und im Anschluss daran können die (mittels des im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 120 ermittelten) Streufeld-abhängigen Kompensationsparameter 330 zum Zwecke der Streufeldkompensation auf den berechneten Rotationswinkel angewendet werden (sog. post-CORDIC).
• 5A zeigt ein schematisches Blockschaltbild zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels zur Streufeldkompensation, wobei zuerst die Ausgangssignale 340 des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 unter Anwendung der (mittels des im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 120 ermittelten) Streufeld-abhängigen Kompensationsparametern 330 kompensiert werden und anschließend der Rotationswinkel berechnet wird (pre-CORDIC).
• In 5A sind ein im Sättigungsbetrieb arbeitender Magnetfeldsensor 110 sowie ein im Linearbetrieb arbeitender Magnetfeldsensor 120 schematisch dargestellt. Der Signalpfad des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 ist aufgeteilt in einen ersten Signalpfad 110A, der eine Kosinus-Komponente des Sensorsignals beinhaltet, sowie in einen zweiten Signalpfad 110B, der eine Sinus-Komponente des Sensorsignals beinhaltet. Selbiges gilt für den im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensor 120. Der Signalpfad des im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 120 ist aufgeteilt in einen ersten Signalpfad 120A, der eine Kosinus-Komponente des Sensorsignals beinhaltet, sowie in einen zweiten Signalpfad 120B, der eine Sinus-Komponente des Sensorsignals beinhaltet.
• Die Ausgangssignale 340 des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 können optional einer sogenannten AOP-Korrektur 360 unterzogen werden. Der Begriff AOP steht für Amplitude - Phase - Offset. Das heißt, die Ausgangssignale 340 können insofern bearbeitet werden, dass ein Amplitudenversatz und/oder ein Phasenversatz und/oder ein statischer Offset reduziert bzw. kompensiert wird. Die AOP-Korrektur 360 kann eine AOP-Kalibrierung 361 und eine anschließende AOP-Kompensation 362 beinhalten, wobei die AOP-Kalibrierung 361 die entsprechenden AOP-Parameter 363 liefert, die dann wiederum zur AOP-Kompensation auf die Ausgangssignale 340 angewendet werden können.
• Gemäß einem solchen Ausführungsbeispiel kann also die Steuervorrichtung 130 ausgestaltet sein, um vor dem Anwenden der Streufeld-abhängigen Kompensationsparameter 330 eine Amplituden-Phasen-Offset-Korrektur 360 der Ausgangssignale 340 des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 durchzuführen, wobei bei der Amplituden-Phasen-Offset-Korrektur 360 eine Amplitudenversatz-Kompensation und/oder eine Phasenversatz-Kompensation und/oder eine Offsetkompensation auf die Ausgangssignale 340 des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 angewendet wird.
• Eine solche AOP-Korrektur 360 minimiert lineare Unregelmäßigkeiten im xMR-Signalpfad, so wie z.B. Offsets und Amplitudenversätze. Zum Zwecke der AOP-Korrektur 360 kann beispielsweise eine min/max-Bestimmung auf die Ausgangssignale 340 (X_xMR and Y_xMR) angewendet werden, insbesondere in einem Intervall von mindestens 360° für GMR- und TMR-basierte Sensoren, oder alternativ in einem Intervall von 180° für AMR-basierte Sensoren. Aus den gefundenen Maxima und Minima können dann die Amplituden Ax_xMR, Ay_xMR sowie die Offsets Ox_xMR, Oy_xMR im jeweiligen Signalpfad 11 0A, 110B bestimmt werden.
• Wenn die AOP-Autokalibrierung 361 beendet ist, d.h. sobald ausreichend gute Schätzwerte für die AOP-Parameter 363 erreicht sind, können diese AOP-Parameter 363 für die AOP-Kompensation 362 verwendet werden, sodass sich daraus AOP-kompensierte Ausgangssignale X2, Y2 ergeben, gemäß: $$\text{X2}=\left({\text{X}}_{\text{xMR}}-{\text{Ox}}_{\text{xMR}}\right){\text{/Ax}}_{\text{xMR}}\text{and Y}2=\left({\text{Y}}_{\text{xMR}}-{\text{Oy}}_{\text{xMR}}\right){\text{/Ay}}_{\text{xMR}}.$$

  
• Die AOP-Autokalibrierung 361 kann kontinuierlich ausgeführt werden, um das Ergebnis bei der Bestimmung der daraus ableitbaren AOP-Parameter 363 über die Zeit zu verbessern.
• Parallel dazu kann die zuvor unter Bezugnahme auf 3 bereits erläuterte Autokalibrierung 320 der Ausgangssignale 310 des im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 durchgeführt werden. Hierüber können die Streufeld-abhängigen Kompensationsparameter 330 ermittelt werden. Die Streufeld-abhängigen Kompensationsparameter 330 können beispielsweise gemäß der obigen Gleichung (4) ermittelt werden. Insbesondere können die Streufeld-abhängigen Kompensationsparameter 330 eine Amplituden-Information und/oder eine Offset-Information der Ausgangssignale 310 enthalten, beispielsweise die zuvor in Gleichung (4) aufgeführten Verhältnisse Ox / Ax und Oy / Ay.
• Die Streufeld-abhängigen Kompensationsparameter 330 können dann dazu genutzt werden, um die (optional AOP-kompensierten) Ausgangssignale 340 bzw. X2, Y2 des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 einer Streufeldkompensation zu unterziehen. Beispielsweise führt eine Streufeldkompensation unter Anwendung der obigen Gleichung (7) zu Streufeldkompensierten Ausgangssignalen X4, Y4, die dann wiederum zur Berechnung des Streufeldkompensierten Rotationswinkels φ_mag = arctan(Y4/X4) herangezogen werden können (siehe Winkelberechnung CORDIC in Block 370).
• Optional können die Ausgangssignale 310 des im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 120 einer weiteren Kompensation 380 unterzogen werden, worüber Quadranteninformationen speziell für AMR-basierte Sensoren abgeleitet werden können. Diese können dann bei der Berechnung des Streufeldkompensierten Rotationswinkels φ_mag berücksichtigt werden.
• Zusammenfassend kann also bei dem in 5A gezeigten pre-CORDIC Ansatz die Steuervorrichtung 130 ausgestaltet sein, um basierend auf den Ausgangssignalen 340 des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 eine Winkelberechnung auszuführen, die den Drehwinkel der Rotorkomponente 102 relativ zur Statorkomponente 104 angibt, und die Steuervorrichtung 130 kann ferner ausgestaltet sein, um vor der Winkelberechnung die Streufeld-abhängigen Kompensationsparameter 330 auf die Ausgangssignale 340 des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 anzuwenden, um hierüber die Messabweichung bei der Bestimmung des Drehwinkels zu kompensieren.
• 5B zeigt einen alternativen Ansatz zur Bestimmung des Streufeldkompensierten Rotationswinkels (φ_mag· Hierbei handelt es sich um den zuvor erwähnten post-CORDIC Ansatz, bei dem zunächst der effektive Rotationswinkel φ_eff aus den (optional AOP-kompensierten) Ausgangssignalen 340 bzw. X2, Y2 des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 berechnet wird und im Anschluss daran die (mittels des im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 120 ermittelten) Streufeld-abhängigen Kompensationsparameter 330 zum Zwecke der Streufeldkompensation auf den berechneten Rotationswinkel φ_eff angewendet werden (sog. post-CORDIC), um hierüber den Streufeldkompensierten Rotationswinkel φ_mag zu ermitteln.
• Gleiche Funktionsblöcke mit gleicher Funktion wie in 5A sind mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb auf eine nochmalige Erläuterung an dieser Stelle verzichtet und stattdessen auf die Ausführungen zu 5A verwiesen sei.
• Ein Unterschied zu 5A besteht unter anderem darin, dass hier in Block 370 zunächst eine Winkelberechnung (CORDIC) des effektiven magnetischen Winkels φ_eff basierend auf den (optional AOP-kompensierten) Ausgangssignalen 340 bzw. X2, Y2 des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 durchgeführt wird. Die Winkelberechnung (CORDIC) kann beispielsweise gemäß der ersten Zeile aus Gleichung (9) durchgeführt werden, wobei für AMR-basierte Sensoren die richtige Halbebene mit in Betracht gezogen werden sollte. Die Streufeld-abhängigen Kompensationsparameter 330 können dann anschließend in Block 390, zum Zwecke der Streufeldkompensation, auf den zuvor berechneten effektiven magnetischen Winkel φ_err angewendet werden, z.B. so wie es in der zweiten Zeile von Gleichung (9) angegeben ist. Im Ergebnis erhält man dementsprechend den Streufeldkompensierten Rotationswinkel φ_mag.
• Zusammenfassend kann also bei dem in 5B gezeigten post-CORDIC Ansatz die Steuervorrichtung 130 ausgestaltet sein, um basierend auf den Ausgangssignalen 340 des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 eine Winkelberechnung auszuführen, die den Drehwinkel der Rotorkomponente 102 relativ zur Statorkomponente 104 angibt, und die Steuervorrichtung 130 kann ferner ausgestaltet sein, um nach der Winkelberechnung die Streufeld-abhängigen Kompensationsparameter 330 auf das Ergebnis der Winkelberechnung anzuwenden, um hierüber die Messabweichung bei der Bestimmung des Drehwinkels zu kompensieren.
• Zur Bestätigung des hierin beschriebenen innovativen Verfahrens wurden zwei Simulationen durchgeführt, die unter Bezugnahme auf die 6A und 6B näher beschrieben werden sollen. 6A zeigt das Ergebnis einer Messung, bei der ein im Linearbetrieb arbeitender Halleffekt-Sensor 120 mit einem im Sättigungsbetrieb arbeitenden GMRbasierten Sensor 110 kombiniert wurde. 6B zeigt das Ergebnis einer Messung, bei der ein im Linearbetrieb arbeitender Halleffekt-Sensor 120 mit einem im Sättigungsbetrieb arbeitenden AMR-basierten Sensor 110 kombiniert wurde.
• Bei beiden Messungen wurde ein Arbeitsmagnetfeld mit einer Amplitude von B₀ = 20 mT angenommen. Außerdem wurden magnetische Streufelder B_stray = (100 uT, 30 uT)^T angenommen. Sowohl Pre-CORDIC als auch Post-CORDIC Streufeldkompensationen gemäß den hierein beschriebenen Prinzipien wurden zur Kompensation bzw. Reduzierung des Messfehlers bei der Bestimmung des Rotationswinkels angewendet. Wie in den Figuren zu erkennen ist, reduziert das hierin beschriebene innovative Konzept die Auswirkungen des magnetischen Streufelds auf die Berechnung des Rotationswinkels φ_mag um zwei Größenordnungen.
• So sieht man in den 6A (Halleffekt-Sensor + GMR-Sensor) und 6B (Halleffekt-Sensor + AMR-Sensor) einen Messfehler 610 bei der Bestimmung des Rotationswinkels, der über ein volles Winkelintervall von 360° in einem Bereich zwischen + 0,3° und - 0,3° schwankt. Das heißt, man erhält aufgrund des externen magnetischen Streufelds einen systematischen Fehler bzw. Abweichungen in der Winkelmessung von bis zu 0,6° effektiv. Unter Anwendung des hierin beschriebenen innovativen Konzepts kann dieser Messfehler reduziert bzw. vollständig kompensiert werden, was durch die eingezeichnete Funktion 620 dargestellt ist.
• Das hierin beschriebene innovative Konzept betrifft auch ein entsprechendes Verfahren zur Streufeldkompensation bei Winkelsensorsystemen 100. So zeigt 7 eine beispielhafte Ausführungsform eines derartigen Verfahrens zum Reduzieren und/oder Kompensieren einer Messabweichung bei der Bestimmung eines Drehwinkels mittels eines magnetfeldbasierten Winkelsensorsystems 100.
• In Block 701 wird eine Statorkomponente 104 sowie einer relativ dazu drehbare Rotorkomponente 102 bereitgestellt, wobei die Rotorkomponente 102 einen Multipolmagneten 101 aufweist.
• In Block 702 werden ein im Sättigungsbetrieb arbeitender Magnetfeldsensor 110 und ein im Linearbetrieb arbeitender Magnetfeldsensor 120 bereitgestellt.
• In Block 703 wird ein Drehwinkel zwischen der Rotorkomponente 102 und der Statorkomponente 104 bestimmt, und zwar mittels des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 basierend auf dem Magnetfeld des Multipolmagneten 101.
• In Block 704 wird ein auf das Winkelsensorsystem 100 einwirkendes externen magnetisches Streufeld mittels des im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 120 bestimmt, und bei der Bestimmung des Drehwinkels wird eine Streufeld-abhängige Messabweichung kompensiert, und zwar basierend auf dem ermittelten magnetischen Streufeld.
• Zusammenfassend kann also festgehalten werden, dass gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Konzept ein magnetfeldbasiertes Winkelmesssystem bzw. Winkelsensorsystem 100 mit einer integrierten Streufeldkompensation vorgeschlagen wird. Zum Zwecke der Streufeldkompensation weist das Winkelsensorsystem 100 eine Kombination eines im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 mit einem im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensor 120 auf. Dementsprechend können die linearen Eigenschaften des Signalpfads eines im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 120 (z.B. ein Halleffekt-Sensor) mit dem gesättigten Verhalten des Signalpfads eines im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 110 (z.B. ein xMR-Sensor) kombiniert werden. Dies bietet eine effektive und gleichzeitig kostengünstige technische Lösung für die Reduzierung bzw. Kompensation von Messabweichungen, die durch externe magnetische Streufelder bedingt sind, ohne dass hierfür teure zusätzliche Abschirmungen nötig sind.
• Mit dem hierin beschriebenen innovativen Konzept kann auf vorteilhafte Art und Weise der Effekt von quasi-statischen externen magnetischen Streufeldern auf eine Sensorschaltung eines Winkelsensorsystems 100 kompensiert werden, indem im Sättigungsbetrieb arbeitende Sensoren 110 (z.B. xMR) mit im Linearbetrieb arbeitenden Sensoren 120 (z.B. basierend auf vertikalen Hallplatten) kombiniert werden. Die im Sättigungsbetrieb arbeitenden Sensoren 110 messen den effektiven Rotationswinkel, der aufgrund des magnetischen Streufelds mit Messfehlern behaftet sein kann. Die im Linearbetrieb arbeitenden Sensoren 120 bestimmen den magnetischen Offset, der sich aufgrund des magnetischen Streufelds einstellt. Diese Information kann dann dazu genutzt werden, um die Ausgangssignale des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors 120 zu kompensieren.
• Die Kombination von im Sättigungsbetrieb arbeitenden Sensoren 110 mit im Linearbetrieb arbeitenden Sensoren 120 sind vielversprechende Kandidaten, um hochpräzise Winkelmessungen zu erzielen. Zudem bietet diese Kombination von Sensoren 110, 120 redundante und diverse Messtechnologien für funktionale Sicherheitsanwendungen. Durch die Kombination von Sensoren 110, 120 vereint man sozusagen die Vorteile beider Sensortechnologien:
• • quasi-statische magnetische Streufelder werden kompensiert
• • guter SNR
• • Hervorragende Phasenstabilität für AMR-basierte Sensoren
• Das hierin beschriebene Konzept beschreibt, in anderen Worten, eine Autokalibrierung und Kompensation von quasi-statischen magnetischen Streufeldern für kombinierte lineare und gesättigte Winkelsensoren 110, 120.
• Es wurde bereits mehrfach erwähnt, dass AMR-basierte Sensoren (als ein nicht limitierendes Beispiel für einen im Sättigungsbetrieb arbeitenden Sensor 110) nur innerhalb eines Winkelintervalls von 180° eindeutige Ergebnisse liefern. Nach einer Drehung des Rotors relativ zum Stator um 180° wiederholt sich das Winkelsignal. Somit kann es zu Doppeldeutigkeiten bei der Interpretation des Messergebnisses kommen. Um das hierin vorgeschlagene innovative Konzept auch sinnvoll auf AMR-basierte Winkelsensoren anzuwenden, wird nachfolgend ein Lösungsansatz hierfür vorgeschlagen.
• Zunächst soll diesbezüglich nochmals erwähnt werden, dass bei magnetoresistiven Messprinzipien im Vergleich zur Halleffekt-Sensorik die Signalamplituden in der Regel nicht feldgrößenabhängig sind, da magnetoresistive Sensoren im Sättigungsbetrieb arbeiten. Insbesondere AMR-basierte Sensoren liefern zwar Messergebnisse mit geringstmöglichem Winkelfehler (z.B. < 0,2°). Allerdings weisen sie nur in einem Winkelintervall von 180° eindeutige Messergebnisse auf.
• Um diesem Umstand zu begegnen, wird vorgeschlagen, einen im Sättigungsbetrieb arbeitenden AMR-basierten Sensor 110 mit mindestens einem Halleffekt-Element 120, und insbesondere mit einem im Linearbetrieb arbeitenden vertikalen Halleffekt-Element 120, zu kombinieren. Der Begriff „vertikal“ bezieht sich hierbei auf die Chipebene des AMR-basierten Sensors 110.
• Zur weiteren Erläuterung sei an dieser Stelle erneut auf 2 verwiesen. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Winkelsensorsystems 100 mit einem AMR-basierten Sensor 110. Der AMR-basierte Sensor 110 kann, wie hier rein beispielhaft abgebildet, mehrere Sensorbrücken 111, 112, ..., 118 aufweisen. Der AMR-basierte Sensor 110 ist in einer Haupterstreckungsebene, der sogenannten Chip-Ebene (hier: parallel zur Bildebene in der dargestellten Draufsicht), angeordnet. Das Winkelsensorsystem 100 weist ferner einen ersten vertikalen Halleffekt-Sensor 120 auf. Der erste vertikale Halleffekt-Sensor 120 ist vertikal zur Chipebene des AMR-basierten Sensors 110 angeordnet. Optional kann das Winkelsensorsystem 100 einen zweiten vertikalen Halleffekt-Sensor 121 aufweisen. Der zweite vertikale Halleffekt-Sensor 121 ist ebenfalls vertikal zur Chipebene des AMR-basierten Sensors 110 angeordnet.
• Der erste und/oder zweite Halleffekt-Sensor 120, 121 kann lateral neben dem AMR-basierten Sensor 110, oder oberhalb oder unterhalb des AMR-basierten Sensors 110 angeordnet sein. Der erste und/oder zweite Halleffekt-Sensor 120, 121 kann aber auch irgendwo anders auf dem Substrat 104 angeordnet sein.
• Gemäß einem denkbaren Ausführungsbeispiel kann der erste vertikale Halleffekt-Sensor 120 lotrecht, d.h. in einem Winkel von 90°, relativ zu dem zweiten vertikalen Halleffekt-Sensor 121 angeordnet sein. Da die vertikalen Halleffekt-Sensoren 120, 121 jeweils eine bestimmte Vorzugsrichtung 140, 141 zur Bestimmung des Magnetfelds aufweisen, können somit auch die jeweiligen Vorzugsrichtungen 140, 141 des jeweiligen vertikalen Halleffekt-Sensors 120, 121 lotrecht, d.h. in einem Winkel von 90°, relativ zueinander ausgerichtet sein. Der erste vertikale Halleffekt-Sensor 120 kann also beispielsweise in eine x-Richtung sensitiv sein, während hingegen der zweite vertikale Halleffekt-Sensor 121 in einer y-Richtung sensitiv sein kann. Somit kann besonders vorteilhaft die richtige Halbebene zur eindeutigen Bestimmung der Ausgangssignale (Winkelmessergebnisse) des AMR-basierten Sensors 110 bestimmt werden.
• Durch diese 90°-Anordnung ist es also möglich, den ersten und/oder zweiten vertikalen Halleffekt-Sensor 120, 121 zur eindeutigen Bestimmung der entsprechenden Halbebene bei den Winkelmessergebnissen des AMR-basierten Sensors 110 zu verwenden. Hierdurch kann das Winkelsensorsystem 100, trotz Nutzung eines AMR-basierten Sensors 110, eindeutige Messergebnisse über ein Winkelintervall von 360° liefern.
• Da also AMR-basierte Sensoren 110 zwei nicht-eindeutige Winkelwerte innerhalb eines Winkelintervalls von 360° ausgeben, können der erste und/oder zweite vertikale Halleffekt-Sensor 120, 121 dazu eingesetzt werden, um zu unterscheiden, in welcher Halbebene der AMR-Sensor 110 aktuell arbeitet.
• In 8 sind die Signale über eine volle 360° Rotation der Welle 102 (1) eingezeichnet. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass für die hierin beschriebene Erläuterung zwischen einem sogenannten mechanischen Winkel und einem sogenannten elektrischen Winkel unterschieden wird. Der mechanische Winkel beschreibt di tatsächliche reale Rotation der Rotorkomponente 102. Der elektrische Winkel beschreibt das Winkelsignal des Sensors, d.h. den errechneten Winkel, den der Sensor ausgibt. Das heißt, während sich die Rotorkomponente real um einen mechanischen Winkel von 360° drehen kann, ist der elektrische Winkel, der mittels eines AMR-basierten Sensors 110 gemessen wurde, nur innerhalb eines Winkelintervalls von 180° eindeutig.
• 8 (1. Spalte von oben) zeigt auf der y-Achse den elektrischen Winkel, also den gemessenen Winkel, und auf der x-Achse den realen mechanischen Winkel der Rotorkomponente. Es ist zu erkennen, dass hier zwei gleiche Signale zwischen 0° und 180° sowie zwischen 180° und 360° vorhanden sind. In den darunter angeordneten Diagrammen sind die idealen Ausgangssignale eines idealen ersten vertikalen Halleffekt-Sensors (2. Spalte von oben) und eines um 90° versetzt dazu angeordneten idealen zweiten vertikalen Halleffekt-Sensors (3. Spalte von oben) dargestellt. In den darunter angeordneten Diagrammen sind die Ausgangssignale eines realen ersten vertikalen Halleffekt-Sensors (4. Spalte von oben) und eines um 90° versetzt dazu angeordneten realen zweiten vertikalen Halleffekt-Sensors (5. Spalte von oben) dargestellt.
• Die hier abgebildeten Sensorsignale sind diskretisiert, z.B. mittels einer Komparatorfunktion, wobei positive Signale eine logische 0 und negative Signale eine logische 1 am Ausgang liefern.
• Da Halleffekt-Sensoren eine Messignalabweichung aufweisen, werden die Ausgangssignale beider Halleffekt-Sensoren 120, 121 (X und Y) dazu genutzt, um die korrekte Halbebene zu bestimmen. In der untersten Spalte in 8 ist ein Entscheidungsdiagramm gezeigt, auf Grundlage dessen eine Entscheidung getroffen wird, welche Halbebene für die Winkelmessung herangezogen werden soll. Dabei wird entschieden, ob 180° zum Ausgangssignal des AMR-basierten Sensors hinzuaddiert werden oder nicht. Hierbei kann folgende Logik angewandt werden:

  DX0	Addiere +180°, wenn das Ausgangssignal (VHX) in X-Richtung gleich 0 (positiv) ist -> wird angewendet zwischen 270° und 360° (elektrischer Winkel)
  DX1	Addiere +180°, wenn das Ausgangssignal (VHX) in X-Richtung gleich 1 (negativ) ist -> wird angewendet zwischen 0° und 90° (elektrischer Winkel)
  DY1	Addiere +180°, wenn das Ausgangssignal (VHY) in Y-Richtung gleich 1 (negativ) ist -> wird angewendet zwischen 90° und 270° (elektrischer Winkel)

• Diese Methode liefert zuverlässige Ergebnisse sofern sich der Schnittpunkt des Outputs der Hallsensor-Komparatorfunktion innerhalb des Hallsensor-Amplitudenkreises befindet. Dies soll nachfolgend unter Bezugnahme auf 9 näher erläutert werden.
• 9 zeigt einen Kreis mit Limits (VHX und VHY) einer realen Hallsensor-Komparatorfunktion einschließlich Offset-Abweichungen. Solange der Schnittpunkt 190 innerhalb des definierten Hallsensor-Amplitudenkreises 191 befindet, kann die Entscheidung über die korrekte Halbebene zuverlässig getroffen werden.
• 10 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel zur Bestimmung der richtigen Halbebene. Hier wird die volle mechanische 360° Drehung der Rotorkomponente 102 in insgesamt acht Oktanten aufgeteilt. Auch hier wird die 180° Winkelkorrektur mittels der Halleffektsensor-Signale (Xhall, Yhall) durchgeführt, die ebenfalls mittels einer Komparatorfunktion generiert werden können (lediglich das Koordinatensystem ist unterschiedlich im Vergleich zu 9).
• 10 zeigt die fundamentalen vier Oktanten des halben Einheitskreises, für den AMR-basierte Sensorsignale problemlos rekonstruiert werden können. So kann beispielsweise innerhalb des 2. Oktanten (zwischen 0° und -45°) sowie innerhalb des 3. Oktanten (zwischen 0° und +45°) das Halleffektsensor-Signal (Xhall) des in X-Richtung angeordneten Halleffekt-Sensors betrachtet werden. Ist dieses Signal Xhall < 0, dann werden 180° hinzuaddiert. Andererseits kann beispielsweise innerhalb des 1. Oktanten (zwischen -45° und -90°) sowie innerhalb des 4. Oktanten (zwischen +45° und +90°) das Halleffektsensor-Signal (Yhall) des in Y-Richtung angeordneten Halleffekt-Sensors betrachtet werden. Ist dieses Signal Yhall < 0, dann werden 180° hinzuaddiert. Um die vollen 360° zu rekonstruieren, können zusätzliche Informationen genutzt werden, zum Beispiel von einem minimalen vertikalen Halleffekt-basierten Winkelsensor oder Magnetschaltern.
• Nachfolgend wird eine Implementierung dieser korrigierten Winkelberechnung in Python-Code angegeben:
• Sofern eine anfängliche Drehung sichergestellt werden kann, was beispielsweise auch für eine Startup-Kalibrierung für Amplitude und Offset eingesetzt wird, kann der zweite Kanal (VHX) des Halleffekt-Sensors vernachlässigt werden. Der Entscheidungspunkt für die Halbebene ist hier, wenn der AMR seinen 180° Winkelpunkt schneidet.
• Eine entsprechende numerische Simulation wurde zur Verifizierung dieser hierin vorgeschlagenen Methode durchgeführt, um die Ausführbarkeit dieses Konzepts zu belegen. Hierfür wurde die hierin vorgeschlagene Sensorarchitektur in Python simuliert.
• Zunächst wurde ein rotierendes Magnetfeld mit einer typischen Amplitude generiert. Dieses Magnetfeld wurde mit zwei analytischen Sensormodellen gemessen (11), einem hochpräzisen AMR-basierten Winkelsensor (0,05° Winkelrauschen und 180°-Periodizität

  

  der Ausgangssignale), sowie vertikale Halleffekt-basierte Schalter (Fehler entsprechend 10° Winkelrauschen, 360°-Periodizität der Ausgangssignale, 1-bit Output für jeden der zwei Output-Kanäle). 11 (oben) zeigt die Ausgangssignale des AMR-basierten Winkelsensors, und 11 (unten) zeigt die Ausgangssignale der vertikalen Halleffekt-Schalter als Funktion des wahren mechanischen Winkels eines rotierenden Magnetfelds.
• Diese Ausgangssignale wurden bearbeitet mit der generalisierten CORDIC-Funktion (vec_AMR, vec_VHall), siehe oben. Die rekonstruierten Winkel wurden in 12 geplottet. Hier ist der Winkelfehler 151 des mittels der vertikalen Halleffekt-Schalter rekonstruierten Winkels zu sehen sowie der Winkelfehler 152 der Kombination aus dem AMR-basierten Sensor und den vertikalen Halleffekt-Schaltern. Trotz des nicht perfekten Ausgangssignals der vertikalen Halleffekt-Schalter war die Rekonstruktion des richtigen Oktanten für jeden Sample-Punkt korrekt.
• Das hierin beschriebene innovative Konzept kann für jegliche Systemlösungen eingesetzt werden, die diskrete Halleffekt-Sensoren in Kombination mit AMR-basierten Sensoren nutzen. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn der Halleffekt-Sensorchip möglichst nahe an dem AMR-Sensorchip angeordnet wird.
• Mit diesem Konzept kann also die korrekte 180°-Halbebene des Winkelausgangssignals eines AMR-basierten Winkelsensors eindeutig bestimmt werden, und zwar unter Verwendung von mindestens einem, und vorzugsweise zwei orthogonal zueinander angeordneten, vertikalen Halleffekt-Sensoren 120, 121 in Kombination mit einem AMR-basierten Sensor 110.
• Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien des hierin beschriebenen innovativen Konzepts dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass das hierin beschriebene Konzept lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
• Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
• Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
• Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele in Hardware oder in Software oder zumindest teilweise in Hardware oder zumindest teilweise in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer BluRay Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
• Manche Ausführungsbeispiele umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
• Allgemein können Ausführungsbeispiele als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
• Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
• Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinen-lesbaren Träger gespeichert ist. Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des hierin beschriebenen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel des hierin beschriebenen Verfahrens ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger oder das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Medium sind typischerweise greifbar und/oder nicht flüchtig.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel des hierin beschriebenen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
• Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
• Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien des hierin beschriebenen Konzepts dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass das hierin beschriebene Konzept lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims (15)

1. Magnetfeldbasiertes Winkelsensorsystem (100), aufweisend: eine Statorkomponente (104) sowie eine relativ dazu drehbare Rotorkomponente (102), wobei die Rotorkomponente (102) einen Multipolmagneten (101) aufweist, einen im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensor (110) und einen im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensor (120), wobei der im Sättigungsbetrieb arbeitende Magnetfeldsensor (110) ausgestaltet ist, um basierend auf dem Magnetfeld des Multipolmagneten (101) einen Drehwinkel der Rotorkomponente (102) relativ zu der Statorkomponente (104) zu bestimmen, und wobei der im Linearbetrieb arbeitende Magnetfeldsensor (120) ausgestaltet ist, um ein auf das Winkelsensorsystem (100) einwirkendes externes magnetisches Streufeld zu ermitteln, und wobei das Winkelsensorsystem (100) ferner eine Steuervorrichtung (130) aufweist, die ausgestaltet ist, um basierend auf dem, mittels des im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors (120), ermittelten externen magnetischen Streufelds eine Streufeld-abhängige Messabweichung bei der, mittels des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors (110), durchgeführten Bestimmung des Drehwinkels zu kompensieren.
2. Magnetfeldbasiertes Winkelsensorsystem (100) nach Anspruch 1, wobei der im Sättigungsbetrieb arbeitende Magnetfeldsensor (110) einen magnetoresistiven Sensor aufweist, der den anisotropen magnetoresistiven Effekt (AMR), oder den Riesenmagnetowiderstands-Effekt (GMR), oder den kolossalen magnetoresistiven Effekt (CMR), oder den magnetischen Tunnelwiderstands-Effekt (TMR) nutzt.
3. Magnetfeldbasiertes Winkelsensorsystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der im Linearbetrieb arbeitende Magnetfeldsensor (120) einen Halleffekt-Sensor aufweist.
4. Magnetfeldbasiertes Winkelsensorsystem (100) nach Anspruch 3, wobei der Halleffekt-Sensor (120) als eine vertikale Halleffekt-Platte ausgestaltet ist, die vertikal zu dem im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensor (110) angeordnet ist.
5. Magnetfeldbasiertes Winkelsensorsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuervorrichtung (130) ausgestaltet ist, um eine Autokalibrierung (320) der Ausgangssignale (310) des im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors (120) durchzuführen, um hierüber Streufeld-abhängige Kompensationsparameter (330) zu ermitteln, die das externe magnetische Streufeld beschreiben, wobei die Streufeld-abhängigen Kompensationsparameter (330) eine Offset-Information (Ox, Oy) und/oder eine Amplituden-Information (Ax, Ay) der Ausgangssignale (310) des im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors (120) enthalten.
6. Magnetfeldbasiertes Winkelsensorsystem (100) nach Anspruch 5, wobei die Streufeld-abhängigen Kompensationsparameter (330) ein Verhältnis zwischen der Offset-Information (Ox, Oy) und der Amplitudeninformation (Ax, Ay) aufweisen, gemäß: Offset-Information (x;y) / Amplituden-Information (x;y) = (Ox / Ax; Oy / Ay).
7. Magnetfeldbasiertes Winkelsensorsystem (100) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Steuervorrichtung (130) ausgestaltet ist, um basierend auf den Ausgangssignalen (340) des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors (110) eine Winkelberechnung auszuführen, die den Drehwinkel der Rotorkomponente (102) relativ zur Statorkomponente (104) angibt, und wobei die Steuervorrichtung (130) ausgestaltet ist, um vor der Winkelberechnung die Streufeld-abhängigen Kompensationsparameter (330) auf die Ausgangssignale (340) des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors (110) anzuwenden, um hierüber die Messabweichung bei der Bestimmung des Drehwinkels zu kompensieren.
8. Magnetfeldbasiertes Winkelsensorsystem (100) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Steuervorrichtung (130) ausgestaltet ist, um basierend auf den Ausgangssignalen (340) des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors (110) eine Winkelberechnung auszuführen, die den Drehwinkel der Rotorkomponente (102) relativ zur Statorkomponente (104) angibt, und wobei die Steuervorrichtung (130) ausgestaltet ist, um nach der Winkelberechnung die Streufeld-abhängigen Kompensationsparameter (330) auf das Ergebnis der Winkelberechnung anzuwenden, um hierüber die Messabweichung bei der Bestimmung des Drehwinkels zu kompensieren.
9. Magnetfeldbasiertes Winkelsensorsystem (100) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Steuervorrichtung (130) ausgestaltet ist, um vor dem Anwenden der Streufeld-abhängigen Kompensationsparameter (330) eine Amplituden-Phasen-Offset-Korrektur (360) der Ausgangssignale (340) des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors (110) durchzuführen, wobei bei der Amplituden-Phasen-Offset-Korrektur (360) eine Amplitudenversatz-Kompensation und/oder eine Phasenversatz-Kompensation und/oder eine Offsetkompensation auf die Ausgangssignale (340) des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors (110) angewendet wird.
10. Verfahren zum Kompensieren einer Messabweichung bei der Bestimmung eines Drehwinkels mittels eines magnetfeldbasierten Winkelsensorsystems (100), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eine Statorkomponente (104) sowie einer relativ dazu drehbaren Rotorkomponente (102), wobei die Rotorkomponente (102) einen Multipolmagneten (101) aufweist, Bereitstellen eines im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors (110) und eines im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors (120), Bestimmen eines Drehwinkels zwischen der Rotorkomponente (102) und der Statorkomponente (104) mittels des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors (110) basierend auf dem Magnetfeld des Multipolmagneten (101), Ermitteln eines auf das Winkelsensorsystem (100) einwirkenden externen magnetischen Streufelds mittels des im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors (120), und Kompensieren einer Streufeld-abhängigen Messabweichung bei der Bestimmung des Drehwinkels basierend auf dem ermittelten magnetischen Streufeld.
11. Verfahren nach Anspruch 10, Durchführen einer Autokalibrierung (320) der Ausgangssignale (310) des im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors (120), um hierüber Streufeld-abhängige Kompensationsparameter (330) zu ermitteln, die das externe magnetische Streufeld beschreiben, wobei die Streufeld-abhängigen Kompensationsparameter (330) eine Offset-Information (Ox, Oy) und/oder eine Amplituden-Information (Ax, Ay) der Ausgangssignale (310) des im Linearbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors (120) enthalten.
12. Verfahren nach Anspruch 11, Ausführen einer Winkelberechnung, die den Drehwinkel der Rotorkomponente (102) relativ zur Statorkomponente (104) angibt, basierend auf den Ausgangssignalen (340) des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors (110), und Anwenden der Streufeld-abhängigen Kompensationsparameter (330) auf die Ausgangssignale (340) des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors (110), zeitlich vor der Winkelberechnung, um hierüber die Messabweichung bei der Bestimmung des Drehwinkels zu kompensieren.
13. Verfahren nach Anspruch 11, Ausführen einer Winkelberechnung, die den Drehwinkel der Rotorkomponente (102) relativ zur Statorkomponente (104) angibt, basierend auf den Ausgangssignalen des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors (110), und Anwenden der Streufeld-abhängigen Kompensationsparameter (330) auf das Ergebnis der Winkelberechnung, zeitlich nach der Winkelberechnung, um hierüber die Messabweichung bei der Bestimmung des Drehwinkels zu kompensieren.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, Durchführen einer Autokalibrierung (361) der Ausgangssignale (340) des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors (110), zeitlich vor dem Anwenden der Streufeld-abhängigen Kompensationsparameter (330), wobei bei der Autokalibrierung (361) eine Amplitudenversatz-Kompensation und/oder eine Phasenversatz-Kompensation und/oder eine Offsetkompensation auf die Ausgangssignale (340) des im Sättigungsbetrieb arbeitenden Magnetfeldsensors (110) angewendet wird.
15. Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 14, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.

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