DE102022124958A1 - Method for detecting a relative rotation angle position and magnetic rotation angle sensor device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung einer relativen Drehwinkellage zwischen einer Sensoranordnung (3) und einer Magnetanordnung einer Drehwinkelgebereinrichtung (1), wobei die Sensoranordnung (3) und die Magnetanordnung zueinander um eine Drehachse (A) drehbar angeordnet sind, und die Magnetanordnung einen multipolaren, feldgebenden Permanentmagneten umfasst und die Sensoranordnung (3) zur Erfassung zumindest zweier unterschiedlicher Feldkomponenten in Form von zugeordneten Messsignalen ausgebildet ist, wobei durch die Sensoranordnung (3) bei einer relativen Drehbewegung von Sensor- und Magnetanordnung ein jeweiliger periodischer, insbesondere sinus- oder cosinusartiger Verlauf der Feldkomponenten über die zugeordneten Messsignale erfasst wird, und ein die relative Drehwinkellage angebender Drehwinkel auf der Grundlage der erfassten unterschiedlichen Feldkomponenten ermittelt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest zwei Sensoreinrichtungen (30a, 30b, 30c, 30d) der Sensoranordnung (3) umfänglich beabstandet angeordnet werden, und von jeder Sensoreinrichtung (30a, 30b, 30c, 30d)The invention relates to a method for detecting a relative rotation angle position between a sensor arrangement (3) and a magnet arrangement of a rotation angle transmitter device (1), wherein the sensor arrangement (3) and the magnet arrangement are arranged to be rotatable relative to one another about an axis of rotation (A), and the magnet arrangement has a multipolar , field-emitting permanent magnets and the sensor arrangement (3) is designed to detect at least two different field components in the form of assigned measurement signals, with the sensor arrangement (3) producing a respective periodic, in particular sine- or cosine-like, course when the sensor and magnet arrangement move relative to each other the field components are detected via the assigned measurement signals, and a rotation angle indicating the relative rotation angle position is determined on the basis of the detected different field components. The method according to the invention is characterized in that at least two sensor devices (30a, 30b, 30c, 30d) of the sensor arrangement (3) are arranged circumferentially spaced apart, and from each sensor device (30a, 30b, 30c, 30d)
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung einer relativen Drehwinkellage zwischen einer Sensoranordnung und einer Magnetanordnung einer magnetischen Drehwinkelgebereinrichtung, wobei die Sensoranordnung und die Magnetanordnung zueinander um eine Drehachse drehbar angeordnet sind und die Magnetanordnung einen multipolaren, feldgebenden Permanentmagneten umfasst und die Sensoranordnung zur Erfassung zumindest zweier unterschiedlicher Feldkomponenten in Form von zugeordneten Messsignalen ausgebildet ist, wobei durch die Sensoranordnung bei einer relativen Drehbewegung von Sensor- und Magnetanordnung ein jeweiliger periodischer, insbesondere sinus- oder cosinusartiger Verlauf der Feldkomponenten über die zugeordneten Messsignale erfasst wird, und ein die relative Drehwinkellage angebender Drehwinkel auf der Grundlage der erfassten unterschiedlichen Feldkomponenten ermittelt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine magnetische Drehwinkelgebereinrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.The invention relates to a method for detecting a relative rotation angle position between a sensor arrangement and a magnet arrangement of a magnetic rotation angle sensor device, wherein the sensor arrangement and the magnet arrangement are arranged to be rotatable relative to one another about an axis of rotation and the magnet arrangement comprises a multipolar, field-emitting permanent magnet and the sensor arrangement for detecting at least two different Field components are designed in the form of assigned measurement signals, with the sensor arrangement detecting a respective periodic, in particular sine or cosine-like course of the field components via the assigned measurement signals during a relative rotational movement of the sensor and magnet arrangement, and a rotation angle indicating the relative rotation angle position on the based on the different field components recorded. The invention further relates to a magnetic rotation angle sensor device for carrying out such a method.
Ein derartiges Verfahren kann in der Regel berührungsfrei durchgeführt werden, so dass ein hohes Applikationspotenzial beispielsweise im Bereich der Industrie, insbesondere der verarbeitenden Industrie wie dem Metallbau, und/oder im Automobilbereich vorliegt. Ein solches herkömmliches Verfahren bzw. eine herkömmliche magnetische Drehwinkelgebereinrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens ist beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass das im angegebenen Stand der Technik beschriebene herkömmliche Verfahren unter Einsatz komplizierter Berechnungen zwar eine Verminderung des Fehlers bei der Ermittlung des gesuchten Drehwinkels ermöglicht, der sich ergebende Fehler in Bezug auf eine volle Umdrehung des Magneten um 360° jedoch immer noch im Bereich von etwa 10° liegt. Darüber hinaus hat sich herausgestellt, dass bestimmte Feldgebermagnete, z.B. uniaxial anisotrope Magnete wie Sintermagnete, jedoch auch isotrope Magnete, ein von einer Sinusform stark abweichendes Messfeld erzeugen können, sodass diese auch für die beschriebene herkömmliche Bestimmung des Feldwinkels ungeeignet sind.However, it has been found that the conventional method described in the stated prior art, using complicated calculations, enables the error in determining the desired angle of rotation to be reduced, but the resulting error always remains in relation to a full rotation of the magnet through 360 ° is still in the range of around 10°. In addition, it has been found that certain field transmitter magnets, e.g. uniaxially anisotropic magnets such as sintered magnets, but also isotropic magnets, can generate a measuring field that deviates greatly from a sinusoidal shape, so that they are also unsuitable for the conventional determination of the field angle described.
Insofern liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, das beschriebene herkömmliche Verfahren zur Erfassung einer relativen Drehwinkellage zwischen einer Sensoranordnung und einer Magnetanordnung weiter zu verbessern um das Fehlermaß des ermittelten Drehwinkels zum realen Drehwinkel zwischen Sensoranordnung und Magnetanordnung zu vermindern bzw. die Nutzung von bislang für die Bestimmung eines Drehwinkels ungeeigneten Magneten zu ermöglichen.In this respect, the present invention is based on the object of further improving the described conventional method for detecting a relative rotation angle position between a sensor arrangement and a magnet arrangement in order to reduce the error dimension of the determined angle of rotation to the real angle of rotation between the sensor arrangement and magnet arrangement or to use the previously used for the To enable determination of a rotation angle of unsuitable magnets.
Diese Aufgabe löst die vorliegende Anmeldung durch ein Verfahren zur Erfassung einer relativen Drehwinkellage zwischen einer Sensoranordnung und einer Magnetanordnung einer Drehwinkelgebereinrichtung, wobei die Sensoranordnung und die Magnetanordnung zueinander um eine Drehachse drehbar angeordnet sind, und die Magnetanordnung einen multipolaren, feldgebenden Permanentmagneten umfasst und die Sensoranordnung zur Erfassung zumindest zweier unterschiedlicher Feldkomponenten in Form von zugeordneten Messsignalen ausgebildet ist, wobei durch die Sensoranordnung bei einer relativen Drehbewegung von Sensor- und Magnetanordnung ein jeweiliger periodischer, insbesondere sinus- oder cosinusartiger Verlauf der Feldkomponenten über die zugeordneten Messsignale erfasst wird, und ein die relative Drehwinkellage angebender Drehwinkel auf der Grundlage, d.h. in Abhängigkeit, der erfassten unterschiedlichen Feldkomponenten ermittelt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest zwei Sensoreinrichtungen der Sensoranordnung umfänglich beabstandet angeordnet werden und von jeder Sensoreinrichtung Signale ermittelt werden, die von den jeweils lokal, d. h. am Ort der jeweiligen Sensoreinrichtung vorliegenden unterschiedlichen Feldkomponenten abhängen, wobei zumindest ein Summensignal und ein Differenzsignal dieser Signale ermittelt wird, und der Drehwinkel in Abhängigkeit des Summensignals und des Differenzsignals ermittelt wird.The present application solves this problem by a method for detecting a relative rotation angle position between a sensor arrangement and a magnet arrangement of a rotation angle transmitter device, the sensor arrangement and the magnet arrangement being relative to one another a rotation axis are rotatably arranged, and the magnet arrangement comprises a multipolar, field-emitting permanent magnet and the sensor arrangement is designed to detect at least two different field components in the form of assigned measurement signals, with the sensor arrangement resulting in a respective periodic, in particular, rotational movement of the sensor and magnet arrangement sine or cosine-like course of the field components is detected via the assigned measurement signals, and a rotation angle indicating the relative rotation angle position is determined on the basis, ie depending on, of the different field components detected. The method according to the invention is characterized in that at least two sensor devices of the sensor arrangement are arranged circumferentially spaced apart and signals are determined by each sensor device which depend on the different field components present locally, ie at the location of the respective sensor device, with at least one sum signal and one difference signal of these signals is determined, and the angle of rotation is determined depending on the sum signal and the difference signal.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der überraschenden Erkenntnis des Erfinders, dass bei zwei für eine Drehwinkelbestimmung relevanten Feldkomponenten bzw. deren zugeordnete Messsignale die jeweilige Anteile höherer Harmonischer, insbesondere Anteile ungeradzahliger Harmonischer, vom Absolutbetrag her in gleicher Größenordnung bzw. bei ähnlichen Werten liegen, während sie in Bezug auf Vorzeichen und Phasenlage unterschiedlich sind. Ausgehend von dieser Erkenntnis schlägt die Erfindung vor, Einzelsignale der Sensoreinrichtungen bei entsprechend passender Phasenverschiebung zu kombinieren bzw. zu addieren um den Anteil höherer Harmonischer an den Messsignalen zu minimieren, so dass sich bei der Bestimmung des Drehwinkels auf der Grundlage der kombinierten Messsignalen nur ein geringer Winkelfehler ergibt aufgrund einer verbesserten Annäherung der kombinierten Messsignale an eine ideale Sinus- bzw. Cosinusfunktion. Die Erfindung schlägt insofern vor, zumindest ein Summensignal und ein Differenzsignal zu ermitteln, bei welchen jeweils eine Kompensation von Signalanteilen höherer Harmonischer im Verlauf der Feldkomponenten bei der Drehbewegung erzielbar ist, so dass der Drehwinkel in Abhängigkeit des jeweils an eine jeweilige Sinus- bzw. Cosinusfunktion angenäherten Summensignals und Differenzsignals ermittelt werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nun möglich, je nach Ausführungsform den Winkelfehler bei der Erfassung einer relativen Drehwinkellage zwischen einer Sensoranordnung und einer Magnetanordnung im Vergleich zum Winkelfehler bei dem beschriebenen herkömmlichen Verfahren weiter wesentlich zu vermindern, so dass dieser je nach Ausführungsform ohne Weiteres < 3,5°, insbesondere < 1,5° betragen kann. Ferner ist es nun mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, kostengünstigen Permanentmagnete zur Bestimmung eines Drehwinkels einzusetzen. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Drehwinkelbestimmung bei der Verwendung von Dauermagneten auf der Basis von Sintermagneten, die meist in anisotroper Form vorliegen, mit welchen in der Regel keine Magnetisierung realisiert werden kann, die zu sinusoidalen Feldformen führt. Gleiches gilt auch für viele Arten von isotropen Sintermagneten, als auch für verschiedenste Formen von kunststoffgebundenen Magneten, die wie beschrieben bei der Durchführung von herkömmlichen Verfahren zur Erfassung eines Drehwinkels zu erheblichen, nicht tolerablen Winkelfehlern führen können.The method according to the invention is based on the inventor's surprising finding that in the case of two field components relevant to determining the angle of rotation or their associated measurement signals, the respective components of higher harmonics, in particular components of odd-numbered harmonics, are of the same order of magnitude or have similar values in terms of absolute value, while they are different in terms of sign and phase position. Based on this knowledge, the invention proposes to combine or add individual signals from the sensor devices with a correspondingly appropriate phase shift in order to minimize the proportion of higher harmonics in the measurement signals, so that only a small difference occurs when determining the angle of rotation on the basis of the combined measurement signals Angle error results due to an improved approximation of the combined measurement signals to an ideal sine or cosine function. The invention therefore proposes to determine at least one sum signal and one difference signal, in each of which a compensation of signal components of higher harmonics in the course of the field components during the rotary movement can be achieved, so that the angle of rotation depends on the respective sine or cosine function approximate sum signal and difference signal can be determined. With the method according to the invention, it is now possible, depending on the embodiment, to significantly reduce the angular error when detecting a relative rotational angle position between a sensor arrangement and a magnet arrangement compared to the angular error in the conventional method described, so that, depending on the embodiment, this can easily be <3 .5°, in particular <1.5°. Furthermore, with the method according to the invention it is now also possible to use inexpensive permanent magnets to determine an angle of rotation. The method according to the invention is particularly suitable for determining the angle of rotation when using permanent magnets based on sintered magnets, which are usually in anisotropic form, with which generally no magnetization can be achieved that leads to sinusoidal field shapes. The same applies to many types of isotropic sintered magnets, as well as to various forms of plastic-bonded magnets, which, as described, can lead to significant, intolerable angular errors when carrying out conventional methods for detecting an angle of rotation.
Die mit solchen Magneten erzeugten Messfelder weisen häufig Feldkomponente mit trapezoidalen Charakter auf, während die andere Feldkomponente eine Form aufweisen kann, die idealisiert einer Dreiecksform entsprechen kann, wobei mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur phasengerechten Kombination derartiger Feldverläufe bei einer relativen Drehung von Magnetanordnung und Sensoranordnung um eine vorgegebene Drehachse eine Angleichung des jeweiligen kombinierten Signals an einen rein sinusförmigen bzw. cosinusförmigen Verlauf Signale erzeugbar sind bzw. erzeugt werden, die bei der weiteren Verarbeitung zu Drehwinkelbestimmungen führen, welche nur einen geringen Fehler aufweisen. Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der gesuchte Drehwinkel ohne aufwändige Rechen- und Anpassungsschritte ermittelbar, was den Hardwareaufwand für die Gestaltung einer Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens vermindert.The measuring fields generated with such magnets often have field components with a trapezoidal character, while the other field component can have a shape that can ideally correspond to a triangular shape, with the method according to the invention for combining such field curves in phase with a relative rotation of the magnet arrangement and sensor arrangement by one predetermined axis of rotation an adjustment of the respective combined signal to a purely sinusoidal or cosinusoidal curve signals can be generated or are generated, which lead to rotation angle determinations in further processing, which have only a small error. Using the method according to the invention, the desired angle of rotation can be determined without complex calculation and adjustment steps, which reduces the hardware effort for designing a device to implement the method.
Je nach Ausführungsform können die zumindest zwei unterschiedlichen Feldkomponenten eine tangentiale und eine axiale Feldkomponente sein, die in Bezug auf die Drehachse zu verstehen sind. In einer anderen Ausführungsform können die zumindest zwei unterschiedlichen Feldkomponenten auch eine tangentiale und eine radiale Feldkomponente sein, wiederum in Bezug auf die Drehachse. Dabei werden die zumindest zwei unterschiedlichen Feldkomponenten am jeweiligen Ort der Sensoreinrichtung von dieser in Form von zugeordneten Messsignalen erfasst. Diese Messsignale können je nach Ausführungsform in analoger oder digitaler Form vorliegen, wobei ein ursprünglich analoges Messsignal in Rahmen einer weitergehenden Verarbeitung digitalisiert werden kann, so dass eine nachfolgende Bestimmung des Drehwinkels, insbesondere mittels eines Microprozessors ausgeführt werden kann, aufgrund des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verbundenen verminderten Rechenaufwandes jedoch auch mit einer auf die notwendigen Rechenoperationen angepassten Logikschaltung.Depending on the embodiment, the at least two different field components can be a tangential and an axial field component, which are to be understood in relation to the axis of rotation. In another embodiment, the at least two different field components can also be a tangential and a radial field component, again with respect to the axis of rotation. The at least two different field components at the respective location of the sensor device are detected by the sensor device in the form of assigned measurement signals. Depending on the embodiment, these measurement signals can be in analog or digital form, whereby an originally analog measurement signal can be digitized as part of further processing, so that a subsequent determination of the angle of rotation can be carried out, in particular by means of a microprocessor, due to the process associated with the method according to the invention reduced computing effort but also with a logic circuit adapted to the necessary arithmetic operations.
Die Angabe „Drehwinkel“ kann einen Wert darstellen, der den gesuchten Drehwinkel, beispielsweise im Bogenmaß direkt wiedergibt. Er kann jedoch auch einen Wert darstellen, der in eindeutiger Weise mit einer solchen direkten Winkelangabe korreliert ist.The “angle of rotation” specification can represent a value that directly reflects the angle of rotation you are looking for, for example in radians. However, it can also represent a value that is clearly correlated with such a direct angle indication.
Je nach Ausführungsform können die zur Ermittlung der den unterschiedlichen Feldkomponenten zugeordneten Signale direkte Messsignale von Sensoreinrichtungen der Sensoranordnung sein, oder auch aus den Messsignalen ermittelte, insbesondere berechnete Signale, beispielsweise Gradientensignale.Depending on the embodiment, the signals assigned to the different field components can be direct measurement signals from sensor devices of the sensor arrangement, or signals determined, in particular calculated, from the measurement signals, for example gradient signals.
Die umfängliche Beabstandung der zumindest zwei Sensoreinrichtungen der Sensoranordnung, insbesondere der zwei Sensoreinrichtungen, kann die umfängliche Beabstandung in Bezug auf die Drehachse meinen. Insbesondere kann die Beabstandung beispielsweise zweier Sensoreinrichtungen sich auf eine Beabstandung auf einem Kreisbogen beziehen, wobei die Drehachse durch den Mittelpunkt bzw. das Zentrum des Kreisbogens verlaufen kann. Insofern kann der radiale Abstand der Sensoreinrichtungen zur Drehachse identisch sein.The circumferential spacing of the at least two sensor devices of the sensor arrangement, in particular the two sensor devices, can mean the circumferential spacing with respect to the axis of rotation. In particular, the spacing between, for example, two sensor devices can relate to a spacing on a circular arc, wherein the axis of rotation can run through the center or the center of the circular arc. In this respect, the radial distance of the sensor devices from the axis of rotation can be identical.
Zusätzliche erfindungswesentliche Merkmale und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in der allgemeinen Beschreibung, den Figuren, der Figurenbeschreibung sowie den Unteransprüchen angegeben.Additional features and developments of the present invention that are essential to the invention are specified in the general description, the figures, the description of the figures and the subclaims.
Erfindungsgemäß kann der gesuchte Drehwinkel in Abhängigkeit des Summensignals und des Differenzsignals ermittelt werden. Zur Erzeugung des Summensignals kann dieses aus zwei Summanden gebildet werden, wobei der erste Summand ein, einem ersten der beiden Magnetfeldkomponenten zugeordnetes Signal von einer ersten der zumindest zwei Sensoreinrichtungen und der zweite Summand ein, einem zweiten der beiden Magnetfeldkomponenten zugeordnetes Signal von einer zweiten der zumindest zwei Sensoreinrichtungen ist.According to the invention, the desired angle of rotation can be determined as a function of the sum signal and the difference signal. To generate the sum signal, this can be formed from two summands, the first summand being a signal from a first of the at least two sensor devices assigned to a first of the two magnetic field components and the second summand being a signal assigned to a second of the two magnetic field components from a second of the at least is two sensor devices.
In einer Ausführungsform, bei welcher die Signale zur Erzeugung des Summensignals die direkten Messsignale sind, kann insofern der Summand ein der ersten Magnetfeldkomponente zugeordnetes Messsignal von einer ersten Sensoreinrichtung und der zweite Summand ein der zweiten Magnetfeldkomponente zugeordnetes Messsignal von der zweiten Sensoreinrichtung sein. Kombiniert werden insofern zur Erzeugung des Summensignals in dieser Ausführungsform zumindest zwei Messsignale, insbesondere zwei Messsignale, wobei diese beiden Messsignale sich auf unterschiedliche Feldkomponenten unterschiedlicher, zueinander insbesondere umfänglich beabstandeter Sensoreinrichtungen beziehen können. Bei der beschriebenen Summenerzeugung werden insofern solche Signale in Phasenlage und mit Vorzeichen kombiniert, so dass sich wie obenstehend erläutert die höheren Harmonischen der beiden kombinierten Signale im Wesentlichen kompensieren, so dass das Summensignal einen an eine reine Sinusform angeglichenen Verlauf aufweisen kann. Vorzugsweise werden die Summanden zur Bildung des Summensignals zeitgleich erfasst, so dass eine Kombination der Signale mit vorgegebener Phasenlage durchgeführt werden kann. Andererseits kann eine durch eine eventuelle zeitliche Verzögerung bei der Aufnahme der Messsignale verursachte Phasenverschiebung zweckmäßigerweise bei der Kombination der Signale berücksichtigt werden.In an embodiment in which the signals for generating the sum signal are the direct measurement signals, the summand can be a measurement signal from a first sensor device assigned to the first magnetic field component and the second summand can be a measurement signal from the second sensor device assigned to the second magnetic field component. In this embodiment, at least two measurement signals, in particular two measurement signals, are combined to generate the sum signal, whereby these two measurement signals can relate to different field components of different sensor devices that are in particular circumferentially spaced from one another. In the sum generation described, such signals are combined in phase and with a sign, so that, as explained above, the higher harmonics of the two combined signals essentially compensate for each other, so that the sum signal can have a curve adapted to a pure sinusoidal shape. The addends to form the sum signal are preferably recorded at the same time, so that a combination of the signals with a predetermined phase position can be carried out. On the other hand, a phase shift caused by a possible time delay in recording the measurement signals can expediently be taken into account when combining the signals.
Zweckmäßigerweise kann das zur Ermittlung des Drehwinkels herangezogene Differenzsignal eine zur gerade vorstehend beschriebene Summenbildung ähnliche Kombination zweier Signale, insbesondere eine Kombination von Messsignalen darstellen, bei welchen sich die kombinierten Signale in Bezug auf die höheren Harmonischen wieder auslöschen. Insbesondere kann das Differenzsignal durch Subtraktion eines Subtrahendensignals von einem Minuendensignal gebildet werden, wobei eines der beiden letztgenannten Signale, d. h. Subtrahendensignal und Minuendensignal, ein dem ersten der beiden Magnetfeldkomponenten zugeordnetes Signal von der zweiten der zumindest zwei zueinander beabstandeten Sensoreinrichtungen und das andere der beiden letztgenannten Signale, d. h. Subtrahendensignal und Minuendensignal, ein dem zweiten der beiden Magnetfeldkomponenten zugeordnetes Signal von der ersten der zumindest zwei zueinander beabstandeten Sensoreinrichtungen ist. Zweckmäßigerweise können zur Einhaltung einer vorgegebenen Phasenbeziehung des Subtrahendensignals zum Minuendensignal die Signale zeitgleich erfasst bzw. ermittelt werden. Andererseits kann eine durch eine eventuelle zeitliche Verzögerung bei der Aufnahme der Messsignale verursachte Phasenverschiebung zweckmäßigerweise bei der Kombination der Signale berücksichtigt werden.The difference signal used to determine the angle of rotation can expediently represent a combination of two signals similar to the sum formation just described above, in particular a combination of measurement signals in which the combined signals cancel each other out again with respect to the higher harmonics. In particular, the difference signal can be formed by subtracting a subtrahend signal from a minuend signal, one of the latter two signals, i.e. H. Subtrahend signal and minute end signal, a signal assigned to the first of the two magnetic field components from the second of the at least two sensor devices spaced apart from one another and the other of the latter two signals, i.e. H. Subtrahend signal and minute end signal, a signal assigned to the second of the two magnetic field components from the first of the at least two sensor devices spaced apart from one another. In order to maintain a predetermined phase relationship between the subtrahend signal and the minute end signal, the signals can expediently be detected or determined at the same time. On the other hand, a phase shift caused by a possible time delay in recording the measurement signals can expediently be taken into account when combining the signals.
Aufgrund des beschriebenen Verfahrens zur Erzeugung von, von den jeweiligen Feldkomponenten abhängigen Kombinationssignalen (z.B. in Form eines Summensignals und eines Differenzsignals), die einen an eine reine Sinus- bzw. Cosinusform angenäherten Verlauf aufweisen, kann vorteilhaft bei der Ermittlung des Drehwinkels eine Arctan-Funktion auf einen Quotienten angewendet werden, bei welchem der Dividend durch das Summensignal und der Divisor durch das Differenzsignal gebildet sein kann. Komplizierte und aufwendige Kompensationsberechnungen können entfallen, so dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Anforderungen an die Signalverarbeitung, insbesondere eine digitale Signalverarbeitung, vermindert sein kann.Due to the described method for generating combination signals that are dependent on the respective field components (e.g. in the form of a sum signal and a difference signal), which have a course that approximates a pure sine or cosine shape, an arctan function can advantageously be used to determine the angle of rotation can be applied to a quotient in which the dividend can be formed by the sum signal and the divisor by the difference signal. Complicated and time-consuming compensation calculations can be omitted, so that with With the method according to the invention, the requirements for signal processing, in particular digital signal processing, can be reduced.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann unter Nutzung mehrpoliger Magnete, insbesondere mehrpoliger axial oder diametral magnetisierter Magnete durchgeführt werden. Diese Polzahl np kann je nach Ausführungsform immer geradzahlig und größer ≥ 2 sein, wobei sich eine Polzahl von np = 4, np = 6 und insbesondere np = 8 als besonders zweckmäßig ergeben hat.The method according to the invention can be carried out using multi-pole magnets, in particular multi-pole axially or diametrically magnetized magnets. Depending on the embodiment, this number of poles np can always be even and greater than ≥ 2, with a number of poles of np = 4, np = 6 and in particular np = 8 being particularly useful.
Zur Ermittlung des Drehwinkels kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass das Ergebnis der Anwendung der Arctan-Funktion auf den Quotienten multipliziert wird mit dem Quotienten 2/np, wobei np wiederum die Polzahl des Magneten der Magnetanordnung angibt. Um die Ermittlung des Drehwinkels bei der beschriebenen Berechnung einfach zu halten und eventuelle Phasenangleichungen der den Feldkomponenten zugeordneten Signale zu vermeiden, kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, die beiden Sensoreinrichtungen der Sensoranordnung umfänglich beabstandet um einen Mittelpunktwinkel α von a = π/np auf einem gedachten Bogen, insbesondere einem Kreisbogen angeordnet werden, wobei np wiederum die Polzahl der Magnetanordnung angibt. Vorzugsweise kann dieser Kreisbogen so orientiert sein, dass die Drehachse durch die Kreismitte des Kreisbogens verläuft, d.h. beide Sensoreinrichtungen in einem jeweiligen Radiusabstand zur Kreismitte angeordnet sind, der im Wesentlichen gleich ist.To determine the angle of rotation, it can expediently be provided that the result of applying the arctan function to the quotient is multiplied by the quotient 2/np, where np in turn indicates the number of poles of the magnet of the magnet arrangement. In order to keep the determination of the angle of rotation in the calculation described simple and to avoid possible phase adjustments of the signals assigned to the field components, it can expediently be provided that the two sensor devices of the sensor arrangement are circumferentially spaced by a center angle α of a = π / np on an imaginary arc, in particular be arranged in a circular arc, whereby np in turn indicates the number of poles of the magnet arrangement. Preferably, this circular arc can be oriented in such a way that the axis of rotation runs through the center of the circular arc, i.e. both sensor devices are arranged at a respective radius distance from the center of the circle, which is essentially the same.
Je nach Gestaltung des Messfeldes, d. h. des von der Magnetanordnung erzeugten Feldes kann vorgesehen sein, dass als unterschiedliche Feldkomponenten des Permanentmagneten eine tangentiale und eine axiale Feldkomponente oder eine tangentiale und eine radiale Feldkomponente erfasst werden, so dass eine an die jeweilige Applikation optimierte Felderfassung realisierbar ist.Depending on the design of the measuring field, i.e. H. of the field generated by the magnet arrangement, it can be provided that a tangential and an axial field component or a tangential and a radial field component are detected as different field components of the permanent magnet, so that a field detection optimized for the respective application can be realized.
Grundsätzlich kann das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens durch das Auftreten eines Fremdfelds im Bereich der Sensoranordnung verfälscht werden. Um eine solche Einwirkung von externen Feldern auf das erfindungsgemäße Verfahren zu minimieren, kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtungen der Sensoranordnung zur Bereitstellung einer Fremdfeldkompensation jeweils als Gradientensensoreinrichtung ausgebildet sind umfassend jeweils zwei radial beabstandete und umfänglich auf etwa gleichem Mittenwinkel angeordnete Sensoren für jede Feldkomponente, über welche der jeweiligen Feldkomponenten zugeordneten Messsignale erfasst werden. Solche Gradientensensoreinrichtungen können unter der Annahme, dass das Fremdfeld am Ort der beiden radial beabstandeten Sensoren einer Sensoreinrichtung identisch ist, durch Differenzbildung fremdfeldunabhängige Signale für jede Feldkomponente bereitstellen, so dass mit den fremdfeldkompensierten Signalen durch jede Gradientensensoreinrichtung ein der ersten Feldkomponente zugeordnetes (Gradienten)Signal und ein der zweiten Feldkomponente zugeordnetes (Gradienten)Signal bereitgestellt wird als Signalgrundlage für die Ermittlung des obenstehend beschriebenen Summensignals und des obenstehend beschriebenen Differenzsignals auf der Basis derer dann bzw. in Abhängigkeit derer, insbesondere durch Anwenden einer Arctan-Funktion auf den Quotienten von Summensignal und Differenzsignal, der gesuchte Drehwinkel berechnet werden kann. In dieser Ausführungsform werden insofern das Summensignal und das Differenzsignal nicht durch direkte Messsignale der jeweiligen Feldkomponente bestimmt, sondern auf der Grundlage der beschriebenen (Gradienten)Signale der Gradientensensoreinrichtungen.In principle, the result of the method according to the invention can be falsified by the occurrence of an external field in the area of the sensor arrangement. In order to minimize such an effect of external fields on the method according to the invention, it can expediently be provided that the sensor devices of the sensor arrangement for providing external field compensation are each designed as a gradient sensor device, each comprising two radially spaced sensors arranged circumferentially at approximately the same center angle for each field component, via which measurement signals assigned to the respective field components are recorded. Such gradient sensor devices can, assuming that the external field at the location of the two radially spaced sensors of a sensor device is identical, provide external field-independent signals for each field component by forming the difference, so that with the external field compensated signals by each gradient sensor device a (gradient) signal assigned to the first field component and a (gradient) signal assigned to the second field component is provided as a signal basis for the determination of the sum signal described above and the difference signal described above on the basis of which then or depending on which, in particular by applying an arctan function to the quotient of the sum signal and the difference signal , the desired angle of rotation can be calculated. In this embodiment, the sum signal and the difference signal are not determined by direct measurement signals of the respective field component, but rather on the basis of the described (gradient) signals from the gradient sensor devices.
Die obige Aufgabe wird ferner vorrichtungsseitig durch eine Drehwinkelgebereinrichtung zur Erfassung einer relativen Drehwinkellage mit den Merkmalen von Anspruch 11 gelöst. Die erfindungsgemäße Drehwinkelgebereinrichtung weist eine Sensoranordnung und eine Magnetanordnung auf, die zueinander um eine Drehachse drehbar angeordnet sind, wobei die Magnetanordnung einen multipolaren, feldgebenden Permanentmagneten umfasst und die Sensoranordnung zur Erfassung unterschiedlicher Feldkomponenten in Form von zugeordneten Messsignalen ausgebildet ist, und durch die Sensoranordnung bei einer relativen Drehbewegung von Sensor- und Magnetanordnung ein jeweiliger periodischer, insbesondere sinus- oder cosinusartiger Verlauf der Feldkomponenten über die zugeordneten Messsignale erfassbar ist und wobei mittels einer Signalverarbeitungseinrichtung eine die relative Drehwinkellage angebender Drehwinkel auf der Grundlage der erfassten unterschiedlichen Feldkomponenten ermittelbar ist. Die erfindungsgemäße Drehwinkelgebereinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Sensoreinrichtungen der Sensoranordnung umfänglich beabstandet, insbesondere auf einem Kreisbogen umfänglich beabstandet, angeordnet sind, wobei die Drehachse durch die Kreismitte des Kreisbogens verlaufen kann, und jede Sensoreinrichtung Signale ermittelt, die von den jeweils lokal vorliegenden unterschiedlichen Feldkomponenten abhängen, wobei zumindest ein Summensignal und ein Differenzsignal dieser Signale ermittelt wird zur jeweiligen Kompensation von Signalanteilen höherer Harmonischer im Verlauf der Signale bei der relativen Drehbewegung, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung ausgebildet und eingerichtet ist, den Drehwinkel in Abhängigkeit des Summensignals und des Differenzsignals zu ermitteln.The above object is further achieved on the device side by a rotation angle sensor device for detecting a relative rotation angle position with the features of claim 11. The rotary angle encoder device according to the invention has a sensor arrangement and a magnet arrangement, which are arranged to be rotatable relative to one another about an axis of rotation, the magnet arrangement comprising a multipolar, field-generating permanent magnet and the sensor arrangement is designed to detect different field components in the form of assigned measurement signals, and by the sensor arrangement at a Relative rotational movement of the sensor and magnet arrangement, a respective periodic, in particular sine or cosine-like course of the field components can be detected via the assigned measurement signals and a rotation angle indicating the relative rotation angle position can be determined on the basis of the detected different field components by means of a signal processing device. The rotary angle sensor device according to the invention is characterized in that at least two sensor devices of the sensor arrangement are arranged circumferentially spaced apart, in particular circumferentially spaced apart on a circular arc, whereby the axis of rotation can run through the center of the circular arc, and each sensor device determines signals which are different from the locally present ones Field components depend, with at least one sum signal and a difference signal of these signals being determined for the respective compensation of signal components of higher harmonics in the course of the signals during the relative rotational movement, the signal processing device being designed and set up to determine the angle of rotation as a function of the sum signal and the difference signal.
Je nach Ausführungsform kann die Magnetanordnung einen axial, radial oder diametral magnetisierten, multipolaren Permanentmagneten aufweisen, insbesondere einen 2-poligen, 4-poligen, 6-poligen oder auch 8-poligen Permanentmagneten. In bestimmten Ausführungsformen kann die Magnetanordnung auch einen Permanentmagneten mit noch höherer Polzahl umfassen. Der Permanentmagnet der Magnetanordnung kann insbesondere ringförmig oder zylinderförmig mit einer Achse ausgebildet sein, wobei die Anordnung innerhalb der Drehwinkelanordnung derart sein kann, dass diese Achse koaxial zur Drehachse orientiert ist.Depending on the embodiment, the magnet arrangement can have an axially, radially or diametrically magnetized, multipolar permanent magnet, in particular a 2-pole, 4-pole, 6-pole or even 8-pole permanent magnet. In certain embodiments, the magnet arrangement can also comprise a permanent magnet with an even higher number of poles. The permanent magnet of the magnet arrangement can in particular be ring-shaped or cylindrical with an axis, wherein the arrangement within the angle of rotation arrangement can be such that this axis is oriented coaxially to the axis of rotation.
Die Sensoreinrichtungen der Sensoranordnung können beispielsweise als Hallsensor, als GMR-Sensor oder als TNR-Sensor ausgebildet sein bzw. umfassen, wobei jede der Sensoreinrichtungen zur Erfassung der beiden unterschiedlichen Feldkomponenten ausgebildet ist, beispielsweise durch Vorsehen eines 2D- oder 3D-Sensors, der zur gleichzeitigen Erfassung der zumindest beiden unterschiedlichen Feldkomponenten ausgebildet sein kann oder durch Vorsehen eines jeweiligen einzelnen Sensors zur Erfassung der einen Feldkomponente und eines Sensors zur Erfassung der anderen Feldkomponente, d.h. durch das Vorsehen eines Sensorpaares für jede der Sensoreinrichtungen.The sensor devices of the sensor arrangement can be designed or include, for example, a Hall sensor, a GMR sensor or a TNR sensor, with each of the sensor devices being designed to detect the two different field components, for example by providing a 2D or 3D sensor which is used for simultaneous detection of the at least two different field components or by providing a respective individual sensor for detecting one field component and a sensor for detecting the other field component, i.e. by providing a pair of sensors for each of the sensor devices.
In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Sensoranordnung um die Drehachse relativ zur Magnetanordnung drehbar angeordnet ist, d.h. die Magnetanordnung z.B. ortsfest zu einem Gehäuse der Drehwinkelgebereinrichtung angeordnet ist. Zur Vereinfachung der Signalführung kann jedoch auch vorgesehen sein, die Magnetanordnung um die Drehachse drehbar zu einem, z.B. relativ zu einem Gehäuse der Drehwinkelgebereinrichtung ortsfesten Träger anzuordnen, der die Sensoranordnung trägt und die Magnetanordnung insofern relativ zur Sensoranordnung drehbar gelagert ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, den Permanentmagneten der Magnetanordnung wie dargestellt ringförmig oder zylinderförmig auszubilden, wobei der Permanentmagnet fest an einer betätigbaren Drehwelle angeordnet sein kann und die Wellenachse koaxial zur Drehachse verlaufen kann. Insofern können die Sensoreinrichtungen und die Signalverarbeitungseinrichtung ortsfest auf der Drehwinkelgebereinrichtung angeordnet sein. Insofern meint eine „ortsfeste Anordnung“ eine jeweilige Anordnung wie Sensoranordnung oder Magnetanordnung, die relativ zur Drehwinkelgebereinrichtung, insbesondere einem Gehäuse der Drehwinkelgebereinrichtung, unbeweglich ist.In one embodiment, it can be provided that the sensor arrangement is arranged to be rotatable about the axis of rotation relative to the magnet arrangement, i.e. the magnet arrangement is arranged, for example, in a stationary manner relative to a housing of the rotary angle sensor device. To simplify the signal routing, however, it can also be provided that the magnet arrangement can be arranged to be rotatable about the axis of rotation on a support that is stationary, for example relative to a housing of the rotary angle sensor device, which carries the sensor arrangement and the magnet arrangement is thus rotatably mounted relative to the sensor arrangement. For example, it can be provided that the permanent magnet of the magnet arrangement is designed to be ring-shaped or cylindrical, as shown, whereby the permanent magnet can be fixedly arranged on an actuable rotary shaft and the shaft axis can run coaxially to the rotary axis. In this respect, the sensor devices and the signal processing device can be arranged in a stationary manner on the rotary angle sensor device. In this respect, a “stationary arrangement” means a respective arrangement, such as a sensor arrangement or magnet arrangement, which is immovable relative to the rotary angle sensor device, in particular a housing of the rotary angle sensor device.
Zur Vereinfachung der Bildung des Summensignals und des Differenzsignals, auf der Grundlage bzw. in Abhängigkeit derer der Drehwinkel ermittelbar ist, kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtungen der Sensoranordnung umfänglich beabstandet um einen Mittelpunktswinkel β von β = π/np auf einem gedachten Kreisbogen angeordnet sind, wobei np die Polzahl des Magneten der Magnetanordnung angibt und die Drehachse durch den Kreismittelpunkt des Kreisbogens verlaufen kann.To simplify the formation of the sum signal and the difference signal, on the basis of or depending on which the angle of rotation can be determined, it can expediently be provided that the sensor devices of the sensor arrangement are arranged on an imaginary circular arc, circumferentially spaced by a center angle β of β = π / np are, where np indicates the number of poles of the magnet of the magnet arrangement and the axis of rotation can run through the center of the circle arc.
Die unterschiedlichen Feldkomponenten, welche von der jeweiligen Sensoreinrichtung der Sensoranordnung erfasst bzw. gemessen werden, können senkrecht zueinander orientiert sein, beispielsweise eine tangentiale und eine axiale Feldkomponente oder eine tangentiale und eine radiale Feldkomponente in Bezug auf die Drehachse.The different field components, which are detected or measured by the respective sensor device of the sensor arrangement, can be oriented perpendicular to one another, for example a tangential and an axial field component or a tangential and a radial field component with respect to the axis of rotation.
Je nach Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehwinkelgebereinrichtung können die zueinander drehbar angeordneten Sensoranordnung und Magnetanordnung unterschiedlich zueinander angeordnet sein. In solchen Ausführungsformen, bei welchen die Sensoranordnung bzw. die Sensoreinrichtungen axial beabstandet zur Magnetanordnung bzw. zum Magneten angeordnet sind, kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass die Sensoranordnung bzw. die Sensoreinrichtungen radial innerhalb der Magnetanordnung, insbesondere etwa mittig zur radialen Dicke des Magneten angeordnet ist zur Optimierung der von den Sensoreinrichtung erfassten Feldkomponenten. In dieser Anordnung kann vorgesehen sein, dass die umfänglich beabstandeten Sensoreinrichtungen innerhalb einer Ebene liegen, wobei diese Ebene etwa senkrecht zur Drehachse verlaufen kann.Depending on the embodiment of the rotary angle sensor device according to the invention, the sensor arrangement and magnet arrangement, which are rotatably arranged relative to one another, can be arranged differently from one another. In such embodiments, in which the sensor arrangement or the sensor devices are arranged axially spaced from the magnet arrangement or the magnet, it can expediently be provided that the sensor arrangement or the sensor devices is arranged radially within the magnet arrangement, in particular approximately centrally to the radial thickness of the magnet to optimize the field components detected by the sensor device. In this arrangement it can be provided that the circumferentially spaced sensor devices lie within a plane, whereby this plane can run approximately perpendicular to the axis of rotation.
In Ausführungsformen bei welchen die Sensoranordnung radial beabstandet, insbesondere radial außen, zur Magnetanordnung bzw. zum Magneten angeordnet ist, kann vorgesehen sein, die zueinander beabstandeten Sensoreinrichtungen an der Oberfläche einer Zylinderfläche unter identischer axialer Höhe des Magneten anzuordnen, so dass die Sensoreinrichtungen den gleichen radialen Abstand zur Drehachse aufweisen können. In dieser Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtungen etwa auf halber axialer Höhe des Magneten platziert sind.In embodiments in which the sensor arrangement is arranged at a radial distance, in particular radially on the outside, from the magnet arrangement or from the magnet, it can be provided that the sensor devices which are spaced apart from one another are arranged on the surface of a cylindrical surface at an identical axial height of the magnet, so that the sensor devices have the same radial Can have a distance from the axis of rotation. In this embodiment it can be provided that the sensor devices are placed approximately half the axial height of the magnet.
Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, die Sensoreinrichtungen der Sensoranordnung sowohl radial als auch axial beabstandet zum insbesondere ring- oder zylinderförmigen Magneten anzuordnen.However, it is also within the scope of the invention to arrange the sensor devices of the sensor arrangement both radially and axially at a distance from the particularly ring- or cylindrical magnet.
Die Signalverarbeitungseinrichtung der erfindungsgemäßen Drehwinkelgebereinrichtung kann beispielsweise einen Microprozessor umfassen, welcher mit dem jeweiligen Ausgang der Sensoreinrichtungen gekoppelt ist und die Messsignale je nach Ausgang der Sensoreinrichtungen empfangene Analogsignale digitalisiert oder direkt digitale Signale empfängt und die notwendigen Ermittlungen bzw. Berechnungen zur Ermittlung des beschriebenen Summensignals und Differenzsignals durchführt. Je nach Ausführungsform kann die Signalverarbeitungseinrichtung zur Bildung der Arkusgantens-Funktion eines durch das Summensignal und das Differenzsignal gebildeten Quotienten eingerichtet sein. In einer anderen Ausführungsform kann die Signalverarbeitungseinrichtung auch als Verarbeitungsschaltung ausgebildet sein, sodass diese keinen Microprozessor aufweisen muss.The signal processing device of the rotary angle encoder device according to the invention can, for example, comprise a microprocessor which is coupled to the respective output of the sensor devices and the measurement signals received depending on the output of the sensor devices digitizes log signals or receives digital signals directly and carries out the necessary determinations or calculations to determine the described sum signal and difference signal. Depending on the embodiment, the signal processing device can be set up to form the arcgantens function of a quotient formed by the sum signal and the difference signal. In another embodiment, the signal processing device can also be designed as a processing circuit, so that it does not have to have a microprocessor.
Um den Einfluss von magnetischen Störfeldern zu vermeiden kann die Sensoranordnung der erfindungsgemäßen Drehwinkelgebereinrichtung jeweilige Sensoreinrichtungen aufweisen, die als Gradientensensoreinrichtung ausgebildet sind. Eine solche Gradientensensoreinrichtung kann für jede der beiden Feldkomponenten zwei Sensoren aufweisen, deren Messsignale intern subtrahiert werden zur Auslöschung des jeweiligen Fremdfeldeinflusses auf die Messungen. Insofern kann jede Gradientensensoreinrichtung insgesamt vier Sensoren aufweisen, wobei jeweils zwei Sensoren das Feld einer der beiden Feldkomponenten erfassen. Vorzugsweise kann die erfindungsgemäße Drehwinkelgebereinrichtung zwei solcher Gradientensensoreinrichtungen aufweisen, die umfänglich beabstandet, insbesondere umfänglich auf einem Kreisbogen beabstandet, angeordnet sein können. Die Ausgangssignale dieser Gradientensensoreinrichtungen können erfindungsgemäß wie die Messsignale der obenstehend beschriebenen herkömmlichen Sensoreinrichtungen verarbeitet werden zur Ermittlung des Summensignals und des Differenzsignals und zur nachfolgenden Bestimmung des gesuchten Drehwinkels.In order to avoid the influence of magnetic interference fields, the sensor arrangement of the rotary angle sensor device according to the invention can have respective sensor devices which are designed as gradient sensor devices. Such a gradient sensor device can have two sensors for each of the two field components, the measurement signals of which are internally subtracted to eliminate the respective external field influence on the measurements. In this respect, each gradient sensor device can have a total of four sensors, with two sensors each detecting the field of one of the two field components. Preferably, the rotation angle sensor device according to the invention can have two such gradient sensor devices, which can be arranged circumferentially spaced apart, in particular circumferentially spaced on a circular arc. According to the invention, the output signals of these gradient sensor devices can be processed like the measurement signals of the conventional sensor devices described above to determine the sum signal and the difference signal and to subsequently determine the desired angle of rotation.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungsfiguren durch Beschreiben einiger Ausführungsformen erläutert, wobei
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1a in einer reduzierten Prinzipskizze eine erfindungsgemäße Drehwinkelgebereinrichtung mit einem ringförmigen, axial polarisierten, 4-poligen Sinterferrit-Magneten mit stirnseitig zum Magneten angeordneter und axial beabstandeter Sensoranordnung in einer Stirnseitenansicht; -
1b die Drehwinkelgebereinrichtung der1a in einer Radialansicht; -
2 der Verlauf der von einer Sensoreinrichtung der Sensoranordnung gemäß1a erfassten tangentialen und axialen Feldkomponenten bei einer Drehung des Magneten um die Drehachse A relativ zur ortsfesten Sensoranordnung; -
3 die Anordnung der beiden umfänglich beabstandeten Sensoreinrichtungen der in1a auf einem Kreisbogen; -
4 den Verlauf der an den beiden Sensoreinrichtungen erfassten unterschiedlichen Feldkomponenten über eine Volldrehung des Magneten um die Drehachse; -
5 den Verlauf der an den beiden Sensoreinrichtungen erfassten Verläufe der anderen unterschiedlichen Feldkomponenten über eine Volldrehung der Magneteinrichtung um die Drehachse; -
6 den Verlauf der kombinierten Sensorsignale der4 und5 über eine Volldrehung des Magneten um die Drehachse; -
7 den Verlauf des Winkelfehlers über eine Volldrehung für den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren berechneten Drehwinkel im Vergleich zu dem Winkelfehler, der sich nach dem herkömmlichen Verfahren ergibt; -
8 den Verlauf der erfindungsgemäß kombinierten Signale zur Berechnung des Drehwinkels für eine weitere Ausführungsform mit zur erst beschriebenen Ausführungsform unterschiedlichen axialen und radialen Beabstandung der Sensoreinrichtungen zum Magneten; -
9 die örtliche Anordnung der Sensoreinrichtungen in einer erfindungsgemäßen Drehwinkelgebereinrichtung zur Kompensation eines Fremdfeldes; und -
10 den Verlauf des Winkelfehlers bei der Anordnung der Sensoreinrichtungen gemäß9 beim Auftreten eines Fremdfeldes, das betragsmäßig in dergleichen Größenordnung wie das Nutz- bzw. Messfeld des Magneten ist,
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1a in a reduced schematic diagram of a rotary angle encoder device according to the invention with an annular, axially polarized, 4-pole sintered ferrite magnet with a sensor arrangement arranged on the front side of the magnet and axially spaced apart in a front view; -
1b the rotary angle sensor device1a in a radial view; -
2 the course of the sensor arrangement according to a sensor device1a detected tangential and axial field components when the magnet rotates about the axis of rotation A relative to the stationary sensor arrangement; -
3 the arrangement of the two circumferentially spaced sensor devices in1a on a circular arc; -
4 the course of the different field components detected at the two sensor devices over a full rotation of the magnet around the axis of rotation; -
5 the course of the courses of the other different field components detected at the two sensor devices over a full rotation of the magnet device about the axis of rotation; -
6 the course of the combined sensor signals4 and5 via a full rotation of the magnet around the axis of rotation; -
7 the course of the angular error over a full rotation for the angle of rotation calculated using the method according to the invention in comparison to the angular error resulting from the conventional method; -
8th the course of the signals combined according to the invention for calculating the angle of rotation for a further embodiment with a different axial and radial spacing of the sensor devices from the magnet than the first described embodiment; -
9 the local arrangement of the sensor devices in a rotary angle sensor device according to the invention for compensating for an external field; and -
10 the course of the angular error in the arrangement of the sensor devices9 when an external field occurs that is of the same magnitude as the useful or measuring field of the magnet,
In der zunächst beschriebenen Ausführungsform ist die Sensoranordnung 3 zur Erfassung der Feldkomponenten, hier einer tangentialen und einer axialen Feldkomponente, ortsfest in einer Ebene E parallel zur Stirnseite des Magneten 10 angeordnet. Die Angaben tangential bzw. axial beziehen sich auf Richtungen mit Bezug auf die angegebene Drehachse A.In the embodiment described first, the
In der Ausführungsform der erfindungsgemäß ausgebildeten Drehwinkelgebereinrichtung 1 gemäß
In der beschriebenen Ausführungsform ist der Bewegungspfad der Sensoranordnung 3 relativ zur in der
Die mit einer ortsfest angeordneten Sensoreinrichtungen 30a, b bei der Drehung des Magneten 10 um die Drehachse A erfassbaren Feldkomponenten, hier eine tangentiale Feldkomponente und eine axiale Feldkomponente, verlaufen zwar periodisch, jedoch nicht rein sinus- bzw. cosinusförmig, so dass eine einfache Ermittlung des Drehwinkels durch Anwendung einer Arctan-Funktion auf den Quotienten des sinusartigen Verlaufs der einen Feldkomponente durch den cosinusförmigen Verlauf der anderen Feldkomponente am Ort einer der jeweiligen Sensoreinrichtung führt zu einer Drehwinkelbestimmung, die sehr fehlerbehaftet ist und je nach Drehwinkel ohne Weiteres einen Fehler von +- 15° aufweisen kann.The field components that can be detected with a
Zur Verbesserung der erfassten Feldverläufen schlägt die Erfindung vor, eine Sensoranordnung 3 umfassend zwei umfänglich beabstandete Sensoreinrichtungen 30a, b vorzusehen, die jeweils die beiden unterschiedlichen Feldkomponenten an ihrem jeweiligen Ort in Form von Messsignalen erfassen und durch Kombination dieser Signale Kombinationssignale zu erzeugen. Dabei erfolgt die Kombination der Messsignale derart, dass sich Bestandteile von höheren Harmonischen kompensieren und die Kombinationssignale dann „verbesserte“ Sinus- bzw. Cosinus-Verläufe darstellen, auf der Grundlage dessen insbesondere im Rahmen einer Berechnung ein jeweiliger Drehwinkel ermittelbar ist, der einen weit geringeren Winkelfehler im Vergleich zu einer herkömmlichen Drehwinkelgebereinrichtung 1 bzw. einem herkömmlichen Verfahren aufweist.In order to improve the recorded field profiles, the invention proposes to provide a
Durch die Verwendung zweier unterschiedlicher, um 45° umfänglich beabstandeter Sensoreinrichtungen 30a, b in der beschriebenen Ausführungsform der
Dabei stellt der Ausdruck Usin gemäß Gl. 1a einen sinusartigen Verlauf eines Summensignals aus zwei Summanden dar, wobei der erste Summand Sa1 ein Messsignal bzw. ein Messwert der ersten Sensoreinrichtung 30a zur Angabe der axialen Feldkomponente und der zweite Summand St2 das Messsignal bzw. den Messwert der zweiten Sensoreinrichtung 30b zur Angabe der tangentialen Feldkomponente darstellt. Ferner stellt der Ausdruck Ucos gemäß Gleichung 1b einen cosinusartigen Verlauf eines Differenzsignals dar, wobei das Minuendensignal Sa2 ein Messsignal bzw. ein Messwert der zweiten Sensoreinrichtung 30b zur Angabe der axialen Feldkomponente und das Subtrahendensignal St1 ein Messsignal bzw. ein Messwert der ersten Sensoreinrichtung 30a zur Angabe der tangentialen Feldkomponente darstellt. Gleichzeitig mit der Reduktion der Anteile höherer Harmonischer ergibt sich mit den Gleichungen 1a, 1b eine Angleichung der Amplituden auf einen gemeinsamen Wert.The expression U sin according to Eq. 1a shows a sinusoidal curve of a sum signal from two summands, where the first summand Sa1 is a measurement signal or a measured value from the
In der mit Bezug auf die
In anderen Ausführungsformen kann die Magnetanordnung beispielsweise keinen Sinter-Magnet umfassen, sondern einen kunststoffgebundenen Magneten, insbesondere einen isotropen, geringpoligen kunststoffgebundenen Magneten, welche in der Regel im Vergleich zu Sinter-Magneten einen stärker sinusiodalen Feldverlauf bereitstellen kann.
Die Beispiele zeigen, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erfassung einer relativen Drehwinkellage sowie mit einer erfindungsgemäßen Drehwinkelgebereinrichtung 1 eine Drehwinkelbestimmung brauchbarer Güte auch für Feldgebermagnete möglich ist, die für eine herkömmliche Bestimmung des Feldwinkels ungeeignet sind. Dies gilt sowohl für uni-axial anisotrope Magnete wie Sinter-Magnete als auch für isotrope Magnete wie kunststoffgebundene Magnete mit einer von einer Sinusform stärker abweichenden Magnetisierung.The examples show that with the method according to the invention for detecting a relative rotation angle position and with a rotation
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Drehwinkelgebereinrichtung 1 ist nicht auf die Verwendung von 4-poligen Magneten und einen sich daraus ergebenden Winkelabstand zwischen den beiden Sensoreinrichtungen 30a, 30b von 45° beschränkt. Stattdessen kann das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Drehwinkelgebereinrichtung 1 auch für die Verwendung von Magneten höherer geradzahliger Polzahl angewendet werden, wobei sich der Winkelabstand der beiden Sensoreinrichtungen 30a, 30b dann jeweils zu π/np ergibt, wobei np wiederum die Polzahl angibt.The method according to the invention or the rotary
In einer weiteren Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass die Magnetanordnung bzw. ein Magnet der Magnetanordnung am Umfang magnetisiert ist, so dass dann die Sensoreinrichtungen 30a, 30b an einer radial zur Mantelfläche des Zylinder- oder Ringmagneten beabstandeten Position angeordnet sein können. Statt der tangentialen und axialen Feldkomponenten können bei dieser Ausführungsform die tangentialen und radialen Feldkomponenten durch die beiden Sensoreinrichtungen 30a, 30b bzw. deren Sensoren 31a, 32a erfasst werden und in gleicher Weise wie obenstehend für die erstbeschriebene Ausführungsform zur Bestimmung des Drehwinkels verwendet werden. Analog zu den Gl. 1a, 1b berechnen sich die kombinierten Sinus- und Cosinus-Signale über die Ausdrücke
Dabei stellt der Ausdruck Usin gemäß Gl. 3a einen sinusförmigen Verlauf eines Summensignals aus zwei Summanden dar, wobei der erste Summand Sr1 ein Messsignal bzw. ein Messwert der ersten Sensoreinrichtung 30a zur Ausgabe der radialen Feldkomponente und der zweite Summand St2 das Messsignal bzw. den Messwert der zweiten Sensoreinrichtung 30b zur Angabe der tangentialen Feldkomponente darstellt. In ähnlicher Weise stellt der Ausdruck Ucos gemäß Gl. 3b einen cosinusförmigen Verlauf eines Differenzsignals dar, wobei das Minuendensignal Sr2 ein Messsignal bzw. ein Messwert der zweiten Sensoreinrichtung zur Ausgabe der radialen Feldkomponente und der Subtrahend St1 das Messsignal bzw. den Messwert der ersten Sensoreinrichtung 30a zur Ausgabe der tangentialen Feldkomponente darstellt.The expression U sin according to Eq. 3a shows a sinusoidal curve of a sum signal from two summands, whereby the first summand Sr1 is a measurement signal or a measured value of the
Geeignete Magnete, die für diese dritte Ausführungsform der Erfindung Anwendung finden, können beispielsweise radial anisotope Sinter-Magnete oder Ringe aus gesinterten Magneten sein, die aus einzelnen Polsegmenten mit homogener oder radialer Magnetisierung zusammengesetzt wurden. Darüber hinaus können auch Magnete aus isotropen, gesintertem oder kunststoffgebundenem Magnetmaterial, deren Feldform von einer Sinusform in wesentlicher Weise abweicht, als Feldgeber zusammen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. in der erfindungsgemäß ausgebildeten Drehwinkelgebereinrichtung 1 ohne weitere Datenverarbeitung zur Drehwinkelbestimmung mit hoher Genauigkeit Verwendung finden.Suitable magnets that are used for this third embodiment of the invention can, for example, be radially anisotopic sintered magnets or rings made of sintered magnets that are composed of individual pole segments with homogeneous or radial magnetization. In addition, magnets made of isotropic, sintered or plastic-bonded magnetic material, the field shape of which differs significantly from a sinusoidal shape, can also be used as field transmitters together with the method according to the invention or in the rotary
In einer Ausführungsform der Erfindung kann diese nicht nur zur Verminderung des Fehlers bei der einfachen Bestimmung eines Drehwinkels verwendet werden, sondern zusätzlich zur gleichzeitigen Kompensation von Fremdfeldern, die in der Praxis häufig auftreten und dann eine zusätzliche Fehlerquelle darstellen. Eine Lösung für diese Problematik kann in dem Vorsehen einer weich magnetischen Abschirmung bestehen, was jedoch je nach Anwendung mit erheblichen Kosten verbunden sein kann. Demgegenüber schlägt die Erfindung statt dem Vorsehen von zwei zur Drehachse A umfänglich beabstandeten Sensoreinrichtungen 30a, 30b das Vorsehen eines Sensorarrays mit vier Sensoreinrichtungen 30a, 30b, 30c, 30d vor, wobei zur Kompensation eines Fremdfeldeinflusses auf die Messungen jeder Sensoreinrichtung 30a, 30b, 30c, 30d eine der drei anderen Sensoreinrichtungen 30a, 30b, 30c, 30d zugeordnet ist, zu welcher diese radial in Bezug auf die Drehachse A beabstandet ist, siehe
Jede der Sensoreinrichtungen 30a bis 30d der Ausführungsform gemäß
Der Fachmann erkennt, dass bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit gleichzeitiger Kompensation von Fremdfeldern die umfängliche Beabstandung der beiden Paare von Sensoreinrichtungen 30a, 30c und 30b, 30d auf einem Kreisbogen von der Polzahl des Magneten 10 abhängt und wie obenstehend angegeben über die Beziehung π/np festgelegt werden kann.The person skilled in the art recognizes that when using the method according to the invention with simultaneous compensation of external fields, the circumferential spacing of the two pairs of
Bei dem abgewandelten Verfahren mit Fremdfeldkompensation erfolgt zunächst eine Differenzbildung der erfassten Signale der beschriebenen Paare von Sensoreinrichtungen 30a, 30c und 30b, 30d für die jeweiligen Feldkomponenten, demnach
Es sei bemerkt, dass in einer anderen Ausführungsform auch direkt sogenannte Gradientensensoren Anwendung finden können, welche die beschriebenen Differenzbildungen der Signale von zugeordneten Sensoren 31a, 31,b, 32a, 32b für die gleiche Feldkomponente intern durchführen können, so dass sie die in den Gleichungen 4a bis 4d angegebenen Differenzsignale direkt ausgeben.It should be noted that in another embodiment, so-called gradient sensors can also be used directly, which can internally carry out the described subtraction of the signals from assigned
In der mit Bezug auf
Es hat sich grundsätzlich herausgestellt, dass bei den beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren zur Erfassung einer Drehwinkellage mit gleichzeitiger Fremdfeldkompensation das Array der Sensoreinrichtungen 30a bis 30d nicht wie bei axial magnetisierten Magneten bevorzugt im Bereich des mittleren Radius des Ringmagneten angeordnet werden sollte, sondern stattdessen das Array der Sensoreinrichtungen 30a bis 30d radial bei Radien größer als der mittlere Radius zwischen innerem und äußerem Radius zu platzieren, oder sogar radial außerhalb des Magneten 10 zur Nutzung starker Gradienten der Feldkomponenten.It has fundamentally been found that in the method according to the invention described for detecting an angle of rotation position with simultaneous external field compensation, the array of
Das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren mit gleichzeitiger Fremdfeldkompensation eignet sich insbesondere in solchen Fällen, bei welchen der Magnet 10 der Magnetanordnung ein kunststoffgebundener Magnet ist, der in der Regel geringere Feldstärken als ein Sinter-Magnet aufweist und insofern eine größere Fremdfeld-Empfindlichkeit besitzt. Mit den beschriebenen Verfahren ist es beispielsweise möglich, bei der Verwendung eines 4poligen Ringmagneten bei starrer Magnetisierung, einem Innendurchmesser von 16 mm, einem Außendurchmesser von 30 mm und einer axialen Höhe von 5 mm, trotz Auftreten eines Fremdfeldes, das die Hälfte der Feldstärke des Magneten 10 aufweist, eine im Wesentlichen vollständige Fremdfeldkompensation zu realisieren, wobei gleichzeitig über eine Volldrehung des Magneten 10 der Winkelfehler auf +- 3° beschränkt.The method according to the invention described with simultaneous external field compensation is particularly suitable in cases in which the
In einer weiteren Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, das Verfahren mit Fremdfeldkompensation bzw. einer entsprechend gestalteten Drehwinkelgebereinrichtung 1 mit Magneten 10 auszuführen, die am Umfang magnetisiert sind, so dass sich dann die Sensoreinrichtungen 30a bis 30d an einer radial zur Mantelfläche des Magneten 10 beabstandeten Position befinden und statt der tangentialen und axialen Feldkomponenten die tangentialen und radialen Feldkomponenten erfasst und auf dieser Grundlage der Drehwinkel ermittelt wird.In a further embodiment, it can also be provided to carry out the method with external field compensation or a correspondingly designed rotary
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- Drehwinkelgebereinrichtung, DrehwinkelgeberRotary angle sensor device, rotary angle sensor
- 33
- SensoranordnungSensor arrangement
- 1010
- Magnetmagnet
- 30a30a
- SensoreinrichtungSensor device
- 30b30b
- SensoreinrichtungSensor device
- 30c30c
- SensoreinrichtungSensor device
- 30d30d
- SensoreinrichtungSensor device
- 31a31a
- Sensorsensor
- 31b31b
- Sensorsensor
- 32a32a
- Sensorsensor
- 32b32b
- Sensorsensor
- AA
- DrehachseAxis of rotation
- aAaa
- axialer Abstandaxial distance
- Bb
- SensorpfadSensor path
- EE
- SensorebeneSensor level
- rArA
- radialer Abstandradial distance
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 10201820665 A1 [0002]DE 10201820665 A1 [0002]
- DE 102018220665 A1 [0002]DE 102018220665 A1 [0002]
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-
2022
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings |