DE102021105880A1

DE102021105880A1 - Drehwinkelsensorvorrichtung und Verfahren zum Bestimmen eines Drehwinkels sowie Steuervorrichtung für einen Elektromotor

Info

Publication number: DE102021105880A1
Application number: DE102021105880.5A
Authority: DE
Inventors: Rainer Kling; Stephan Leisenheimer; Severin Neuner; Dragos Vocurek; Hans-Jörg Wagner; Monika Pfeifer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2021-03-11
Filing date: 2021-03-11
Publication date: 2022-09-15
Also published as: US20220290968A1

Abstract

Es werden eine Drehwinkelsensorvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren bereitgestellt. Basierend auf einem modulierten Magnetfeld werden mittels einer Sensoranordnung (10) zwei zueinander phasenversetzte Signale (x, y) erzeugt. Aus diesen werden drei zueinander phasenversetzte Signale (a, b, c) erzeugt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Drehwinkelsensorvorrichtung, sowie Verfahren zum Bestimmen eines Drehwinkels und eine Vorrichtung zum Steuern eines Elektromotors.
HINTERGRUND
Drehwinkelsensorvorrichtungen werden benutzt, um den Drehwinkel einer Welle, eines Rotors oder anderen drehbaren Elements zu messen. Dies kann beispielsweise zur Steuerung eines Elektromotors, beispielsweise eines bürstenlosen Gleichstrommotors (BLDC, vom englischen brushless DC motor) verwendet werden, bei dem Schalter zur Kommutierung eines Stroms durch Spulen des Motors in Abhängigkeit von dem Drehwinkel geschaltet werden.
Zur Messung des Drehwinkels werden in vielen Anwendungen Magnetfeldsensoren verwendet. Hier wird durch eine Drehung ein zeitlich moduliertes Magnetfeld erzeugt, welches gemessen wird. Beispielsweise können an einem sich drehenden Element, beispielsweise einem Rotor eines Elektromotors, Magneten wie Permanentmagnete angeordnet sein, die bei Drehung ein veränderliches Magnetfeld erzeugen. Dieses Magnetfeld wird dann gemessen. Bei anderen Anwendungen wird an dem sich drehenden Element beispielsweise ein Zahnrad aus ferromagnetischem Material angeordnet, das bei Drehung ein von einem stationären Magneten, der nahe bei einem Magnetfeldsensor angeordnet sein kann, erzeugtes Magnetfeld moduliert. Auch diese Modulation kann von entsprechenden Magnetfeldsensoren gemessen werden.
Elektromotoren sind häufig als Drei-Phasen-Motoren oder Mehrphasenmotoren ausgestaltet, bei denen die Kommutierung in drei oder mehr verschiedenen Betriebsphasen erfolgt. Für derartige Anwendungen werden dann herkömmlicherweise drei Magnetfeldsensoren in Abständen von 120° um die Drehachse des Rotors angeordnet, um drei um 120° phasenversetzte Signale zu liefern, auf Basis derer der Motor dann gesteuert wird. Diese Sensoren müssen dann präzise angeordnet werden, und die Bereitstellung von Montageplätzen für drei Sensoren und deren Montage bedeutet einen gewissen Aufwand.
KURZFASSUNG
Es werden eine Drehwinkelsensorvorrichtung nach Anspruch 1, sowie ein Verfahren nach Anspruch 9 und eine Vorrichtung nach Anspruch 16 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen sowie eine Vorrichtung mit einer solchen Drehwinkelsensorvorrichtung und einem Elektromotor.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Drehwinkelsensorvorrichtung bereitgestellt, umfassend:

eine Sensoranordnung, welche eingerichtet ist, ein moduliertes Magnetfeld zu erfassen und zwei zueinander phasenversetzte erste Signale in Abhängigkeit von dem erfassten modulierten Magnetfeld auszugeben, und
eine Berechnungseinrichtung, die eingerichtet ist, auf Basis der zwei phasenversetzten ersten Signale mindestens drei zueinander phasenversetzte zweite Signale zu erzeugen.

Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren bereitgestellt, umfassend:

Erfassen eines modulierten Magnetfeldes zum Erzeugen von zwei zueinander phasenversetzten ersten Signalen, und
Erzeugen von drei zueinander phasenversetzten zweiten Signalen auf Basis der ersten Signale.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Vorrichtung zum Steuern eines Elektromotors bereitgestellt, umfassend: eine Berechnungseinrichtung, welche eingerichtet ist, basierend auf zwei zueinander phasenversetzten ersten Signalen, die auf einem durch Drehung des Elektromotors modulierten Magnetfeld basieren, mindestens drei zueinander phasenversetzte zweite Signale zu erzeugen, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, den Elektromotor basierend auf Nulldurchgängen oder Flankenwechseln der mindestens drei zweiten Signale zu steuern.
Die obige Kurzfassung dient lediglich als Überblick und ist nicht als einschränkend auszulegen, da andere Ausführungsbespiele andere Merkmale aufweisen können.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm einer Drehwinkelsensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2 ist eine Schnittansicht einer Drehwinkelsensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
3A - 3D zeigen verschiedene Beispiele zur Anordnung von Drehwinkelsensorvorrichtungen gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
4 zeigt Beispielsignale, wie sie in Drehwinkelsensorvorrichtungen gemäß mancher Ausführungsbeispiele verwendet werden.
5 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung von Verfahren gemäß mancher Ausführungsbeispiele.
6 zeigt ein Blockdiagramm eines Implementierungsbeispiels einer Berechnungseinrichtung mancher Ausführungsbeispiele.
7A - 7D zeigen Beispielsignale zur Veranschaulichung mancher Ausführungsbeispiele.
8A und 8B zeigen Beispielsignale zur Veranschaulichung weiterer Ausführungsbeispiele.
9 ist ein Blockdiagramm einer Berechnungseinrichtung gemäß mancher Ausführungsbeispiele.
10 zeigt Beispiele für die Platzierung von Sensoranordnungen gemäß Ausführungsbeispielen in einem Elektromotor.
11 zeigt Beispielsignale zur Veranschaulichung der Benutzung einer Drehwinkelsensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel in einem Elektromotor.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele detailliert erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. So bedeutet eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Merkmalen (beispielsweise Komponenten, Elemente, Verfahrensschritte, Vorgänge und dergleichen) nicht, dass alle diese Merkmale für die Ausführung notwendig sind. Vielmehr können bei anderen Ausführungsbeispielen manche Merkmale weggelassen werden oder durch alternative Merkmale ersetzt werden. Zusätzlich zu den explizit beschriebenen Merkmalen können weitere Merkmale, beispielsweise in herkömmlichen Drehwinkelsensorvorrichtungen verwendete Merkmale, verwendet werden.
Verschiedene Ausführungsbeispiele betreffen Drehwinkelsensorvorrichtungen und entsprechende Verfahren, bei welchen ein Magnetfeld mittels Magnetfeldsensoren erfasst wird. Magnetfeldsensoren können beispielsweise Hallsensoren sein, die ein Magnetfeld basierend auf dem Halleffekt messen. Derartige Hallsensoren können mit einer spinning-current-Technik betreiben werden, bei der Anschlüsse zum Anlegen eines Messstroms und Anschlüsse zum Abgreifen einer Hallspannung periodisch vertauscht werden, um einen Offset zu reduzieren. Bei anderen Ausführungsbeispielen können magnetoresistive Sensoren verwendet werden, welche ein Magnetfeld basierend auf magnetoresistiven Effekten wie dem riesigen Magnetowiderstand (GMR, giant magnetoresistance), dem anisotropen Magnetowiderstand (AMR, anisotropic magnetoresistance)oder dem Tunnelmagnetowiderstand (TMR, tunneling magnetoresistance) messen. Diese Arten von Magnetfeldsensoren werden zusammenfassend auch als XMR-Sensoren bezeichnet. Sowohl Hallsensoren als auch XMR-Sensoren haben die Eigenschaft, dass sie nur für Magnetfeldkomponenten in bestimmten Richtungen empfindlich sind. Beispielsweise sind Hallsensoren auf Magnetfelder senkrecht zu einer Oberfläche des Hallsensors empfindlich, und XMR-Sensoren sind auf Magnetfeldkomponenten in einer Richtung empfindlich, die durch eine Referenzmagnetisierung einer Referenzschicht des Sensors vorgegeben ist. In manchen Ausführungsbeispielen wird diese Sensitivität ausgenutzt, indem Magnetfeldsensoren verwendet werden, die auf verschiedene Richtungen des Magnetfelds, hier auch als verschiedene Komponenten des Magnetfelds bezeichnet, empfindlich sind, um so phasenversetzte Signale zu erzeugen.
Signale, die in den folgenden Figuren dargestellt sind, sind nur als Beispiel zu verstehen, da die Wellenformen von Signalen von der jeweiligen Implementierung abhängen können. Insbesondere können Signale auch ein gewisses Rauschen aufweisen, wie es in realen Systemen unvermeidlich ist. Dieses Rauschen und andere Störeinflüsse sind in den Beispielsignalen nicht dargestellt.
Die 1 zeigt eine Drehwinkelsensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Drehwinkelsensorvorrichtung der 1 umfasst eine Sensoranordnung 10 sowie eine Berechnungseinrichtung 11. Die Sensoranordnung 10 erfasst ein Magnetfeld mit 2 Sensoren der Sensoranordnung und gibt entsprechende erste Signale x und y, die zueinander phasenversetzt sind, aus. Der Phasenversatz ergibt sich dabei bei manchen Ausführungsbeispielen aus der Anordnung der Sensoren der Sensoranordnung 10. Beispielsweise können diese, wie unten stehend unter Bezugnahme auf die 2 und 3 erklärt werden wird, als so genannter „2D-Sensor“ angeordnet sein, um Magnetfeldkomponenten in verschiedenen Richtungen zu erfassen. Dann kann das Signal x repräsentativ für die Messung einer ersten Magnetfeldkomponente in einer ersten Richtung und y für die Messung einer zweiten Magnetfeldkomponente in einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung sein. Die erste Richtung und die zweite Richtung können dabei insbesondere orthogonal zueinander sein. Wie erläutert werden wird, kann dies bei der Verwendung als Drehwinkelsensorvorrichtung zu einem Phasenversatz von etwa 90° zwischen dem Signal x und dem Signal y führen.
Die Berechnungseinrichtung 11 verarbeitet die ersten Signale x und y und gibt mindestens 3 zweite Signale a, b, c, aus, die zueinander phasenversetzt sind. Wie weiter unten erläutert werden wird, können die zweiten Signale a, b, c, insbesondere einen Phasenversatz von jeweils 120° zueinander aufweisen und können somit zur Steuerung eines Drei-Phasen Elektromotors verwendet werden, ohne dass hierzu eine Anordnung mit 3 Magnetfeldsensoren an verschiedenen Orten nötig ist.
Die 2 zeigt eine Drehwinkelsensorvorrichtung 20 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die Drehwinkelsensorvorrichtung 20 weist einen ersten Hallsensor 23 und einen zweiten Hallsensor 24 auf, welche wie dargestellt in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind, um zwei zueinander senkrechte Magnetfeldkomponenten eines Magnetfeldes zu erfassen. Hier ist beispielsweise der Sensor 23 ein vertikaler Hallsensor, während der Sensor 24 ein planarer Hallsensor ist. Die Hallfeldsensoren 23, 24 sind in einem Gehäuse (package) untergebracht. Die Berechnungseinrichtung 11 der 1 kann ebenfalls in dem Gehäuse angeordnet sein, oder sie kann beispielsweise extern in einem weiteren Gehäuse bereitgestellt sein, um die zweiten Signale zu erzeugen.
Die Hallsensoren 23, 24 der Drehwinkelsensorvorrichtung 20 erfassen das Magnetfeld von einem Magnetrad 21, welches abwechselnd Nord- und Südpole aufweist, und bei Drehung ein moduliertes Magnetfeld erzeugt. Das Magnetrad 21 kann beispielsweise mit einem Rotor eines Elektromotors gekoppelt sein, wie dies später erläutert wird, um einen Drehwinkel des Rotors zu messen und dann den Motor basierend auf dem gemessenen Drehwinkel anzusteuern.
Die Sensoranordnung 20 ist dabei durch einen Luftspalt 22 von dem Magnetrad 21 getrennt. Durch die Verwendung zweiter zueinander senkrecht stehender Sensoren 23, 24 ist die Platzierung der Sensoranordnung 20 relativ unkritisch, beispielsweise auch hinsichtlich der Größe des Luftspaltes 22. Bei Drehung des Magnetrades 21 liefern die Sensoren 13, 14 zwei um 90° zueinander phasenversetzte Signale entsprechend den ersten Signalen x und y der 1.
Statt des Magnetrades 21 kann beispielsweise auch ein Zahnrad aus einem ferromagnetischem Material verwendet werde, welches ein Magnetfeld von einem Permanentmagneten, der beispielsweise bei der Sensoranordnung 20 angeordnet sein kann, moduliert.
Zudem sind verschiedene Platzierungen von Sensoranordnungen relativ zu dem Magnetrad 21 möglich. Dies wird unter Bezugnahme auf die 3, umfassend 3A - 3D, gezeigt, in denen verschiedene Anordnungen dargestellt sind. Die 3A und 3B zeigen dabei jeweils eine Drehwinkelsensorvorrichtung 30 mit einer Sensoranordnung von Hallsensoren 33, 34, die rechtwinklig zueinander angeordnet sind, deren Oberflächen jedoch senkrecht zu einer Hauptoberfläche des dargestellten Gehäuses der Drehwinkelsensorvorrichtung 30 stehen. Die Hallsensoren 33 und 34 können dabei jeweils vertikale Hallsensoren sein. Das Magnetrad 21 kann dann wie in 3A oder wie in 3B relativ zu der Sensoranordnung 30 angeordnet sein.
Die 3C und 3D zeigen mögliche Anordnungen des Magnetrades 21 relativ zu dem Drehwinkelsensor 20 der 2.
In allen Fällen der 3A bis 3D erfasst einer der Sensoren ein Magnetfeld in einer radialen Richtung des Magnetrades 21, in 3A der Sensor 33, in 3B der Sensor 34, in 3C der Sensor 23 und in 3D der Sensor 24. Die radiale Richtung ist in der 2 mit einem Pfeil 25 gekennzeichnet. Der jeweils andere Sensor, d.h. der Sensor 34 in 3A, der Sensor 33 in 3B, der Sensor 24 in 3C und der Sensor 23 in 3D, erfasst das Magnetfeld in einer tangentialen Richtung des Magnetrades 21, welche in der 2 mit einem Pfeil 26 gekennzeichnet ist. Dies führt dazu, dass die beiden Hallsensoren 23, 24 bzw. 33, 34 bei Drehung des Magnetrades 21 zwei um 90° zueinander phasenversetzte Signale ausgeben.
Dies ist in der 4 schematisch dargestellt. Dabei zeigt 40 einen Pol des Magnetrades 21, welcher zu der jeweiligen Zeit am nächsten an der Sensoranordnung liegt. Eine Kurve 41 zeigt eine Ausgabe eines der beiden verwendeten Hallsensoren, welche einen sinusförmigen Verlauf aufweist, und eine Kurve 42 zeigt den Verlauf einer Ausgabe des jeweils anderen Hallsensors, welcher einen 90° hierzu versetzten Verlauf, also einen cosinusförmigen Verlauf, zeigt. Eine Kurve 43 zeigt ein aus der Kurve 41 gewonnenes digitales Signal, welches die Nulldurchgänge des Signals 41 anzeigt, und eine Kurve 44 zeigt ein entsprechendes aus der Kurve 42 gewonnenes Signal.
5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß mancher Ausführungsbeispiele, welches in den unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 erläuterten Drehwinkelsensorvorrichtungen durchgeführt werden kann. Das Verfahren kann jedoch auch in anderen Vorrichtungen implementiert sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird bei der Erläuterung der 5 auf die Erläuterungen zu den 1 bis 4 Bezug genommen.
Bei 50 der 5 umfasst das Verfahren ein Messen eines modulierten Magnetfeldes, um zwei zueinander phasenversetzte erste Signale, insbesondere um 90° zueinander phasenversetzten erste Signale, zu erzeugen, beispielsweise die obigen Signale x und y. Bei 51 umfasst das Verfahren ein Berechnen von mindestens 3 zueinander phasenversetzten zweiten Signalen aus den ersten Signalen, beispielsweise drei um 120° phasenversetzten zweiten Signalen.
Die Berechnung von mindestens 3 phasenversetzten Signalen durch die Berechnungseinrichtung 11 der 1 bzw. bei 51 der 5 wird nunmehr unter Bezugnahme auf die 5-9 näher erläutert.
Wenn, wie in 4 für das Signal 41 dargestellt, das eine erste Signal x im Wesentlichen eine Sinusfunktion in Abhängigkeit von einem Drehwinkel α darstellt und das andere erste Signal y, ein Cosinussignal des Drehwinkels α darstellt, d. h. x=sin(α) und y=cos(α) (bei einer auf 1 normierten Amplitude), können Signale a, b, c gemäß den Regeln der Trigonometrie wie folgt berechnet werden: $a = sin (α) = x$
$\begin{array}{l} b = sin (α + 120 °) = sin (α) \cdot cos (120 °) + sin (120 °) \cdot cos (α) = \\ - \frac{1}{2} \cdot sin (α) + \frac{1}{2} \sqrt 3 \cdot cos (α) = - \frac{1}{2} (sin (α) - \sqrt 3 \cdot cos (α)) = - \frac{1}{2} \cdot (x - \sqrt 3 y) \end{array}$
$\begin{array}{l} c = sin (α + 240 °) = sin (α) \cdot cos (240 °) + sin (240 °) \cdot cos (α) = \\ - \frac{1}{2} \cdot sin (α) + \frac{1}{2} \sqrt 3 \cdot cos (α) = - \frac{1}{2} (sin (α) - \sqrt 3 \cdot cos (α)) = - \frac{1}{2} \cdot (x - \sqrt 3 y) \end{array}$
So können aus den z.B. von der Sensoranordnung 10 erzeugten Signalen x und y z.B. von der Berechnungseinrichtung 11 drei zueinander um 120° phasenversetzte Signale a, b und c berechnet werden.
Bei der obigen Berechnung wird bei Ausführungsbeispielen zusätzlich berücksichtigt, dass die Signale x und y, wie sie von den Sensoren 23 und 24 bzw. 33 und 34 erfasst werden, im Regelfall nicht die gleiche Amplitude haben. Zur Veranschaulichung zeigt die 6 eine Berechnungseinrichtung, die auf Basis der obigen Formeln arbeitet, und die 7A-7D zeigen Beispielsignale zur Veranschaulichung der Funktionsweise der Berechnungseinrichtung der 6. Die verschiedenen Komponenten der 6 können als Hardwarelogik implementiert sein, können aber auch in der Software, beispielsweise durch Programmierung einer Mikrosteuerung, implementiert sein.
Die Berechnung in der Berechnungseinrichtung der 6 startet mit dem Signal x bei 60 und dem Signal y bei 61. In der 7A zeigt eine Kurve 71 ein Beispiel für das Signal x, welches einem Sinusverlauf über dem Drehwinkel folgt, und eine Kurve 70 zeigt ein Beispiel für das Signal y, welches einem Cosinusverlauf über dem Drehwinkel folgt.
In dem dargestellten Beispiel weist das Signal 71 eine kleinere Amplitude auf als das Signal 70. Zum Angleichen der Amplitude wird das Signal x einem Kompensationsblock 62 zugeführt, und/oder das Signal y wird einem Kompensationsblock 63 zugeführt. Mit den Kompensationsblöcken 62, 63 kann die Amplitude des Signals x der Amplitude des Signals y angeglichen werden, die Amplitude des Signals y kann der Amplitude des Signals x angeglichen werde, oder beide Amplituden können auf einen vorbestimmten, gleichen Wert gesetzt werden. Hierzu können die Amplituden der Signale x und y gemessen werden, und dann die Signale entsprechend verstärkt werden.
Ein Beispiel für das Resultat einer derartigen Angleichung ist in der 7B dargestellt. Diese zeigt wiederum das Signal 70 der 7A entsprechend dem Signal y der 6, sowie als Signal 72 das mit dem Faktor 2,4 multiplizierte Signal 71 der 7A. Auf diese Weise weisen beide Signale 70, 72 die gleiche Amplitude auf.
Um die obigen Formeln (1) bis (3) zu realisieren wird dann das kompensierte Signal y bei 64 mit √3 multipliziert, und das so multiplizierte Signal 65 von dem kompensierten Signal x abgezogen, sowie bei 66 zu dem kompensierten Signal x addiert. Bei 67 bzw. 68 erfolgt eine Multiplikation mit -0,5, und bei 69 wird dann das Signal a in Abhängigkeit von dem Winkel α, bei einer Ausgabe 610 das Signal b in Abhängigkeit vom Winkel α und das bei einer Ausgabe 611 das Signal c in Abhängigkeit von dem Winkel α ausgegeben, wobei a dem kompensierten Signal x, das heißt dem Sinussignal entspricht, b im Vergleich zu a um 120° phasenversetzt ist und c im Vergleich zum Signal a um 240° phasenversetzt ist, wie in den obigen Formeln (1) bis (3) dargestellt.
Ein Beispiel für sich ergebende Signale sind in 7C dargestellt, wobei die Kurve 72 aus 7B dann dem Signal a entspricht, eine Kurve 73 hierzu um 120° phasenversetzt ist und dem Signal b entspricht, und eine Kurve 74 zu der Kurve 72 wiederum um 120° phasenversetzt ist und dem Signal c entspricht. Aus diesen Kurven können dann digitale Signale abgeleitet werden, die bei Nulldurchgängen ihren Wert ändern. Als Beispiel sind hierfür in der 7D drei zueinander phasenversetzte Signale 75, 76, 77 dargestellt, bei denen steigende Flanken jeweils einen Phasenversatz von 120° zueinander haben. Das Signal 75 kann dabei von dem Signal 72 abgeleitet sein, die das Signal 77 kann von dem Signal 73 abgeleitet sein, und das Signal 76 kann von dem Signal 74 abgeleitet sein, wobei in 7D die Signale verglichen mit 7C invertiert sind, d.h. positive Signale in 7C entsprechend niedrigen Werten der Signale der 7D. Da zur Ansteuerung eines Elektromotors bei Ausführungsbeispielen alle Nulldurchgänge der Signale 72-74 entsprechend allen Flankenwechseln der Signale 75-77 zur Steuerung z.B. eines Elektromotors verwendet werden, hat diese Invertierung keinen Effekt und kann je nach verwendeter Einrichtung zum Wandeln in digitale Signale benutzt werden. Werden steigende und fallende Flanken der so entstehenden Signale 75, 76 und 77 benutzt, ergibt sich ein Phasenversatz zwischen aufeinanderfolgenden Flanken von 60° wie angedeutet (steigender Flanke eines Signals zu einer fallenden Flanke eines anderen Signals), so dass insgesamt sechs Phasen beispielsweise für die Ansteuerung eines Elektromotors unterschieden werden können. So kann beispielsweise bei jedem Flankenwechsel eines der Signale 75, 76, 77 entsprechend einem Nulldurchgang eines der Signale 72, 73, 74 ein Schaltvorgang zur Steuerung des Elektromotors, beispielsweise in einem Inverter, durchgeführt werden.
Bei der Berechnungseinrichtung der 6 und den obigen Formeln wird das sinusförmige Signal (beispielsweise Signal 71 der 7A bzw. Signal 72 der 7B) gleichsam als erstes Signal verwendet, mit einem Phasenwinkel von 0° (d.h. Nulldurchgänge bei 0°, 180°, 360°), und hierzu versetzt werden die weiteren Signale mit einem Phasenversatz von 120° und 240° hierzu erreicht. Genauso gut kann von dem jeweils anderen, cosinusförmigen Signal (beispielsweise Signal 70 in 7A) als erstes Signal d ausgegangen werden, um hierzu um 120° bzw. 240° versetzte Signale e, f zu erzeugen, gemäß den folgenden Formeln: $d = cos (α) = y$
$e = cos (α + 120 °) = - \frac{1}{2} \cdot ((α) + \sqrt 3 \cdot sin (α)) = - \frac{1}{2} \cdot (y + \sqrt 3 x)$
$f = cos (α + 240 °) = - \frac{1}{2} \cdot ((α) + \sqrt 3 \cdot sin (α)) = - \frac{1}{2} \cdot (y + \sqrt 3 x)$
wobei hier wiederum gleiche Amplituden von x und y vorausgesetzt werden, was wie in 6 gezeigt durch einen Korrekturblock sichergestellt werden kann. Dies ergäbe bei den Nulldurchgängen Schaltpunkte bei 30°, 90°, 150° usw., wenn zur Ansteuerung eines Motors verwendet.
Eine Berechnungseinrichtung hierfür kann wie in der 6 gezeigt aufgebaut sein, im Wesentlichen mit vertauschten Signaleingängen für die Signale y und x.
Beispiele für entsprechende Signale d-f sind als Kurven 80 bis 82 in 8A dargestellt, und Kurven 83 bis 85 in 8B zeigen entsprechende digitale Signale basierend auf den Nulldurchgängen der Kurven 80 bis 82 der 8A.
Zur Erhöhung der Flexibilität kann eine Berechnungseinrichtung auch eingerichtet sein, die beiden möglichen Berechnungen wahlweise durchzuführen. Ein Ausführungsbeispiel einer entsprechenden Berechnungseinrichtung, die als Berechnungseinrichtung 11 der 1 verwendet werden kann, ist in der 9 dargestellt. Die Berechnungseinrichtung der 9 beruht auf der Berechnungseinrichtung der 6, und gleiche Elemente tragen die gleichen Bezugszeichen und werden nicht nochmals erläutert.
Zusätzlich zu den Elementen der 6 weist die Berechnungseinrichtung der 9 vier Multiplexer 90, 91, 92 und 93 auf, die basierend auf einem Signal sw umgeschaltet werden können. In einer Stellung „0“, das heißt wenn die mit 0 bezeichneten Eingänge der Multiplexer zu dem jeweiligen Ausgang weitergeleitet werden, entspricht die Berechnungseinrichtung der 9 derjenigen der 6, und es werden die Signale a(α), b(α) und c(α) ausgegeben. Werden die Multiplexer 90 bis 93 umgeschaltet, so dass die Eingänge „1“ weitergeleitet werden, werden im Wesentlichen die Signale x und y vertauscht, und die Ausgabe der Multiplizierer 67 und 68 wird vertauscht. In diesem Fall werden an den Ausgaben 69 bis 611 die Signale d(α), e(α) und f(α) ausgegeben. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Berechnungseinrichtung auch dupliziert werden, so dass alle Signale a (α) bis f (α) gleichzeitig berechnet und ausgegeben werden. In anderen Worten können auch mehr als drei phasenversetzte Signale basierend auf den Signalen x und y berechnet werden.
Ebenso ist die Berechnung von Signalen mit anderen Phasenversätzen möglich, indem in den obigen Formeln jeweils andere Versatzwinkel verwendet werden. Zudem ist es auch nicht notwendig, dass die Eingangssignale x und y einen Phasenversatz von 90° zueinander aufweisen, und somit Sinus- und Cosinussignalen entsprechen. Die Berechnung ist auch mit anderen Phasenversetzen als 90° möglich, lediglich die Formeln werden dann etwas komplizierter. Da aber, wie aus den obigen Formeln ersichtlich, aus einem Sinussignal und einem Cosinussignal ein Signal mit jedem beliebigen Phasenversatz berechnet werden kann, kann natürlich auch aus beispielsweise aus einem Sinussignal und einem hierzu um 120° versetzten Signal das Cosinussignal berechnet werden, und dergleichen.
Während die Berechnung in den Berechnungseinrichtung der 6 und 9 mit analogen Signalen durchgeführt wird und ggfs. nachfolgend eine Umwandlung in digitale Signale wie in den 7D und 8B gezeigt erfolgt, kann bei anderen Ausführungsbeispielen die Berechnung auch auf Basis digitaler Signale erfolgen.
Somit können durch Verwendung einer Sensoranordnung mit zwei Sensoren Signale mit beliebigem Phasenversatz erzeugt werden, die dann beispielsweise zur Ansteuerung eines Motors dienen können.
Mögliche Platzierungen einer Drehwinkelsensorvorrichtung oder zumindest der Sensoranordnung hiervon im Falle eines Elektromotors sind in der 10 dargestellt. Der Elektromotor weist dabei einen Stator 1000, mit entsprechenden Spulen, und einen Rotor 1001 auf. Der Stator 1000 weist mehrere Spulen auf, die durch Schalter wahlweise mit Strom durchflossen werden. Mögliche Sensorstandorte sind die Orte 1002, im Wesentlichen zwischen Spulen, und die Orte 1003, im Wesentlichen koaxial mit Spulen. In diesen Positionen erzeugt jeweils einer der Sensoren bei den Anordnungen der 3A-3D das Sinussignal und der andere Sensor das Cosinussignal. Die Orte 1002 sind zu den Orten 1003 um 30° versetzt. Bei einer Platzierung der Sensoranordnung an einem der Orte 1003 kann die obige Berechnung der Signale a, b und c verwendet werden und der Elektromotor basierend auf Nulldurchgängen der Signale a, b und c bzw. basierend auf Flankenwechseln entsprechender digitaler Signale gesteuert werden. Bei einer Platzierung der Sensoranordnung an einem der Orte 1002 kann stattdessen die obige Berechnung der Signale d, e und f verwendet werden und der Elektromotor basierend auf Nulldurchgängen der Signale d, e und f bzw. basierend auf Flankenwechseln entsprechender digitaler Signale gesteuert werden. Dies ergibt dann in beiden Fällen die gleiche Ansteuerung des Elektromotors, da zum Einen, wie aus den 7C und 7D einerseits und den 8A und 8B andererseits ersichtlich die Nulldurchgänge bzw. Flankenwechsel der Signale d, e und f zu den Signalen a, b und c um 30° versetzt sind und zum Anderen die Positionen um 30° versetzt sind, so dass sich dieselben um 60° beabstandeten Schaltzeitpunkte bei Verwendung aller Nulldurchgänge bzw. Flankenwechsel der jeweiligen drei Signale ergeben. Eine Steuervorrichtung 1004 steuert dann den Elektromotor basierend auf den Signalen a, b, c oder d, e, f, wobei diese Steuerung in für sich genommen bekannte Weise aufgeführt werden kann, beispielsweise durch die Ansteuerung von Leistungsinvertern basierend auf den Nulldurchgängen bzw. Flankenwechseln.
Zu bemerken ist, dass die Berechnungseinrichtung durch Berechnung der Signale a, b, c bzw. d, e, f wie in 1 gezeigt zusammen mit der Sensoranordnung in einer Drehwinkelsensorvorrichtung sein kann, z.B. in einen Chip oder in einem Package integriert. Die Berechnungseinrichtung kann aber auch in der Steuervorrichtung 1004 integriert sein, so dass die Steuervorrichtung 1004 die oben diskutierten Signale x, y von der Sensoranordnung empfängt dann die Signale a, b und c bzw. d, e, f erzeugt.
Es können auch andere Positionen als die Positionen 1002, 1003 für eine Sensoranordnung verwendet werden, da, wie oben beschrieben, die Berechnung entsprechend angepasst werden kann, um Nulldurchgänge bzw. Flankenwechsel an den entsprechenden Winkelpositionen zu erhalten.
11 verdeutlicht die Steuerung eines derartigen Motors mit einer Drehwinkelsensorvorrichtung wie hier beschrieben. Dabei sind Signale 1101, 1102, 1105 und 1104 über den Motordrehwinkel aufgetragen.
Die Signale 1104 und 1105 beruhen auf Signalen, die von einer Sensoranordnung wie hier beschrieben, die zwei zueinander phasenversetzte Signale liefert, erzeugt werden. Sie entsprechen beispielsweise den Signalen 43 und 44 der 4. Hieraus können dann um 120° phasenversetzte Signale wie beschrieben erzeugt werden, von denen zwei als Signale 1101 und 1102 dargestellt sind. Ein Pfeil 1103 deutet die Berechnung durch die Berechnungseinrichtung an. Eine Kommutation des Motors kann dann bei steigenden und fallenden Flanken der Signale 1101 und 1102 erfolgen, wie durch Kreise 1100 gekennzeichnet. Auf diese Weise ist nur eine Sensoranordnung mit zwei Sensoren, die zwei phasenversetzte Signale misst, nötig, um den Motor zu steuern, und es müssen beispielsweise nicht drei Hallsensoren an drei verschiedenen Positionen des Elektromotors angeordnet werden.
Einige Ausführungsbeispiele werden durch die nachfolgenden Beispiele definiert:

Beispiel 1. Drehwinkelsensorvorrichtung, umfassend:
- eine Sensoranordnung, welche eingerichtet ist, ein zeitlich moduliertes Magnetfeld zu erfassen und basierend auf dem zeitlich modulierten Magnetfeld zumindest zwei zueinander phasenversetzte erste Signale auszugeben, und
- eine Berechnungseinrichtung, welche eingerichtet ist, basierend auf den ersten Signalen mindestens drei zueinander phasenversetzte zweite Signale zu erzeugen.
Beispiel 2. Drehwinkelsensorvorrichtung nach Beispiel 1, wobei die zwei ersten Signale zueinander einen Phasenversatz von 90° aufweisen.
Beispiel 3. Drehwinkelsensorvorrichtung nach Beispiel 1 oder 2, wobei die mindestens drei zweiten Signale drei Signale umfassen, die zueinander einen Phasenversatz von 120° aufweisen.
Beispiel 4. Drehwinkelsensorvorrichtung nach einem der Beispiele 1 bis 3, wobei die Sensoranordnung einen ersten Sensor zum Erzeugen eines der ersten Signale auf Basis einer Magnetfeldkomponente des modulierten Magnetfeldes in einer ersten Richtung und einen zweiten Sensor zum Erzeugen eines anderen der ersten Signale basierend auf einer zweiten Magnetfeldkomponente des modulierten Magnetfeldes in einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung umfasst.
Beispiel 5. Drehwinkelsensorvorrichtung nach Beispiel 4, wobei die erste Richtung senkrecht zu der zweiten Richtung ist.
Beispiel 6. Drehwinkelsensorvorrichtung nach einem der Beispiele 1 bis 5, wobei die Berechnungseinrichtung eingerichtet ist, zwischen einer Erzeugung einer ersten Gruppe von drei Signalen der mindestens drei zweiten Signale, welche zueinander phasenversetzt sind, und einer Erzeugung einer zweiten Gruppe von anderen drei Signalen der mindestens 3 zweiten Signale, die zueinander phasenversetzte sind, umzuschalten, wobei die Signale der ersten Gruppe zu den Signalen der zweiten Gruppe phasenversetzt sind.
Beispiel 7. Vorrichtung, umfassend:
- einen Elektromotor, und
- die Sensorvorrichtung nach einem der Beispiele 1-6 zum Messen des Drehwinkels eines Rotors des Elektromotors.
Beispiel 8. Vorrichtung nach Beispiel 7, wobei die Vorrichtung weiter eine Steuervorrichtung aufweist, die eingerichtet ist, den Elektromotor basierend auf Nulldurchgängen oder Flankenwechseln der mindestens drei zweiten Signale zu steuern.
Beispiel 9. Verfahren, umfassend:
- Erfassen eines zeitlich moduliertes Magnetfelds zum Erzeugen von mindestens zwei zueinander phasenversetzten ersten Signalen, und
- Erzeugen von mindestens drei zueinander phasenversetzten zweiten Signalen basierend auf den ersten Signalen.
Beispiel 10. Verfahren nach Beispiel 9, wobei die ersten Signale zueinander einen Phasenversatz von 90° aufweisen.
Beispiel 11. Verfahren nach Beispiel 9 oder 10, wobei die mindestens drei zweiten Signale drei Signale umfassen, die zueinander einen Phasenversatz von 120° aufweisen.
Beispiel 12. Verfahren nach einem der Beispiele 9 bis 11, wobei das Erzeugen von mindestens zwei zueinander phasenversetzten ersten Signalen umfasst:
- Erzeugen eines der ersten Signale auf Basis einer Magnetfeldkomponente des modulierten Magnetfeldes in einer ersten Richtung, und
- Erzeugen eines anderen der ersten Signale basierend auf einer zweiten Magnetfeldkomponente des modulierten Magnetfeldes in einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung.
Beispiel 13. Verfahren nach Beispiel 12, wobei die erste Richtung senkrecht zu der zweiten Richtung ist.
Beispiel 14. Verfahren nach einem der Beispiele 9 bis 13, weiter umfassend:
- Umschalten zwischen einer Erzeugung einer ersten Gruppe von drei Signalen der mindestens drei zweiten Signale, welche zueinander phasenversetzt sind, und einer Erzeugung einer zweiten Gruppe von anderen drei Signalen der mindestens drei zweiten Signale, die zueinander phasenversetzte sind, wobei die Signale der ersten Gruppe zu den Signalen der zweiten Gruppe phasenversetzt sind.
Beispiel 15. Verfahren nach einem der Beispiele 9 bis 14, weiter umfassend: Steuern eines Elektromotors auf Basis der mindestens drei zweiten Signale.
Beispiel 16. Vorrichtung zum Steuern eines Elektromotors, umfassend:
- eine Berechnungseinrichtung, welche eingerichtet ist, basierend auf zwei zueinander phasenversetzten ersten Signalen, die auf einem durch Drehung des Elektromotors modulierten Magnetfeld basieren, mindestens drei zueinander phasenversetzte zweite Signale zu erzeugen,
wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, den Elektromotor basierend auf Nulldurchgängen oder Flankenwechseln der mindestens drei zweiten Signale zu steuern.
Beispiel 17. Vorrichtung nach Beispiel 16, wobei die zwei ersten Signale zueinander einen Phasenversatz von 90° aufweisen, und/oder
Beispiel 18. Vorrichtung nach Beispiel 16 oder 17, wobei die mindestens drei zweiten Signale drei Signale umfassen, die zueinander einen Phasenversatz von 120° aufweisen.
Beispiel 19. Vorrichtung nach einem der Beispiele 16 bis 18, wobei die Berechnungseinrichtung eingerichtet ist, zwischen einer Erzeugung einer ersten Gruppe von drei Signalen der mindestens drei zweiten Signale, welche zueinander phasenversetzt sind, und einer Erzeugung einer zweiten Gruppe von anderen drei Signalen der mindestens 3 zweiten Signale, die zueinander phasenversetzte sind, umzuschalten, wobei die Signale der ersten Gruppe zu den Signalen der zweiten Gruppe phasenversetzt sind.

Obgleich in dieser Beschreibung spezifische Ausführungsbeispiele illustriert und beschrieben wurden, werden Personen mit üblichem Fachwissen erkennen, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierung als Substitution für die spezifischen Ausführungsbeispiele, die in dieser Beschreibung gezeigt und beschrieben sind, ohne von dem Umfang der gezeigten Erfindung abzuweichen, gewählt werden können. Es ist die Intention, dass diese Anmeldung alle Adaptionen oder Variationen der spezifischen Ausführungsbeispiele, die hier diskutiert werden, abdeckt. Daher ist es beabsichtigt, dass diese Erfindung nur durch die Ansprüche und die Äquivalente der Ansprüche beschränkt ist.

Claims

Drehwinkelsensorvorrichtung, umfassend: eine Sensoranordnung (10; 20; 30), welche eingerichtet ist, ein zeitlich moduliertes Magnetfeld zu erfassen und basierend auf dem zeitlich modulierten Magnetfeld zumindest zwei zueinander phasenversetzte erste Signale (x, y) auszugeben, und eine Berechnungseinrichtung (11), welche eingerichtet ist, basierend auf den ersten Signalen mindestens drei zueinander phasenversetzte zweite Signale (a, b, c, d, e, f) zu erzeugen.
Drehwinkelsensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zwei ersten Signale (x, y) zueinander einen Phasenversatz von 90° aufweisen.
Drehwinkelsensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens drei zweiten Signale (a, b, c, d, e, f) drei Signale umfassen, die zueinander einen Phasenversatz von 120° aufweisen.
Drehwinkelsensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Sensoranordnung einen ersten Sensor (23; 33) zum Erzeugen eines der ersten Signale (x, y) auf Basis einer Magnetfeldkomponente des modulierten Magnetfeldes in einer ersten Richtung und einen zweiten Sensor (24; 34) zum Erzeugen eines anderen der ersten Signale (x, y) basierend auf einer zweiten Magnetfeldkomponente des modulierten Magnetfeldes in einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung umfasst.
Drehwinkelsensorvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die erste Richtung senkrecht zu der zweiten Richtung ist.
Drehwinkelsensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Berechnungseinrichtung (11) eingerichtet ist, zwischen einer Erzeugung einer ersten Gruppe von drei Signalen (a, b, c) der mindestens drei zweiten Signale (a, b, c, d, e, f), welche zueinander phasenversetzt sind, und einer Erzeugung einer zweiten Gruppe von anderen drei Signalen (d, e, f) der mindestens 3 zweiten Signale (a, b, c, d, e ,f), die zueinander phasenversetzte sind, umzuschalten, wobei die Signale (a, b, c) der ersten Gruppe zu den Signalen der zweiten Gruppe (d, e, f)phasenversetzt sind.
Vorrichtung, umfassend: einen Elektromotor (1000, 1001), und die Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6 zum Messen des Drehwinkels eines Rotors des Elektromotors.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Vorrichtung weiter eine Steuervorrichtung (1004) aufweist, die eingerichtet ist, den Elektromotor basierend auf Nulldurchgängen oder Flankenwechseln der mindestens drei zweiten Signale (a, b, c, d, e, f) zu steuern.
Verfahren, umfassend: Erfassen eines zeitlich moduliertes Magnetfelds zum Erzeugen von mindestens zwei zueinander phasenversetzten ersten Signalen (x, y), und Erzeugen von mindestens drei zueinander phasenversetzten zweiten Signalen (a, b, c, d, e, f) basierend auf den ersten Signalen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die ersten Signale (x, y, z) zueinander einen Phasenversatz von 90° aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die mindestens drei zweiten Signale (a, b, c, d, e, f) drei Signale umfassen, die zueinander einen Phasenversatz von 120° aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Erzeugen von mindestens zwei zueinander phasenversetzten ersten Signalen (x, y) umfasst: Erzeugen eines der ersten Signale auf Basis einer Magnetfeldkomponente des modulierten Magnetfeldes in einer ersten Richtung, und Erzeugen eines anderen der ersten Signale (x, y) basierend auf einer zweiten Magnetfeldkomponente des modulierten Magnetfeldes in einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die erste Richtung senkrecht zu der zweiten Richtung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, weiter umfassend: Umschalten zwischen einer Erzeugung einer ersten Gruppe von drei Signalen (a, b, c) der mindestens drei zweiten Signale (a, b, c, d, e, f), welche zueinander phasenversetzt sind, und einer Erzeugung einer zweiten Gruppe von anderen drei Signalen (d, e, f) der mindestens drei zweiten Signale (a, b, c, d, e, f), die zueinander phasenversetzte sind, wobei die Signale (a, b, c) der ersten Gruppe zu den Signalen der zweiten Gruppe phasenversetzt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, weiter umfassend: Steuern eines Elektromotors auf Basis der mindestens drei zweiten Signale (a, b, c, d, e, f).
Vorrichtung (1004) zum Steuern eines Elektromotors, umfassend: eine Berechnungseinrichtung (11), welche eingerichtet ist, basierend auf zwei zueinander phasenversetzten ersten Signalen (x, y), die auf einem durch Drehung des Elektromotors modulierten Magnetfeld basieren, mindestens drei zueinander phasenversetzte zweite Signale (a, b, c, d, e, f) zu erzeugen, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, den Elektromotor basierend auf Nulldurchgängen oder Flankenwechseln der mindestens drei zweiten Signale (a, b, c, d, e, f) zu steuern.
Vorrichtung (1004) nach Anspruch 16, wobei die zwei ersten Signale (x, y) zueinander einen Phasenversatz von 90° aufweisen, und/oder
Vorrichtung (1004) nach Anspruch 16 oder 17, wobei die mindestens drei zweiten Signale (a, b, c, d, e, f) drei Signale umfassen, die zueinander einen Phasenversatz von 120° aufweisen.
Vorrichtung (1004) nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Berechnungseinrichtung (11) eingerichtet ist, zwischen einer Erzeugung einer ersten Gruppe von drei Signalen (a, b, c) der mindestens drei zweiten Signale (a, b, c, d, e, f), welche zueinander phasenversetzt sind, und einer Erzeugung einer zweiten Gruppe von anderen drei Signalen (d, e, f) der mindestens 3 zweiten Signale (a, b, c, d, e ,f), die zueinander phasenversetzte sind, umzuschalten, wobei die Signale (a, b, c) der ersten Gruppe zu den Signalen der zweiten Gruppe (d, e, f)phasenversetzt sind.