DE10248060A1

DE10248060A1 - Magnetfeld-Sensoranordnung für einen Winkelsensor und Verfahren zum Betrieb einer derartigen Sensoranordnung

Info

Publication number: DE10248060A1
Application number: DE2002148060
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Schüle; Michael Deckert; Thomas LÖFFLER; Markus Heger
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2004-05-13

Abstract

Eine Magnetfeld-Sensoranordnung umfasst einen Winkelsensor, über den die aktuelle Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteiles in einem vorgegebenen Winkelbereich messbar ist. Dem Winkelsensor sind zumindest zwei Sensorelemente zugeordnet, über die die aktuelle Magnetfeldrichtung des magnetischen Bauteiles messbar ist, wobei die Sensorelemente in der Weise zueinander angeordnet sind, dass ihre die Hauptmessrichtung kennzeichnenden Achsen einen Winkel einschließen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Magnetfeld-Sensoranordnung für einen Winkelsensor und auf ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Sensoranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 6.

Es sind Winkelsensoren zur Messung der Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteiles bekannt, welche als so genannte AMR-Sensoren unter Ausnutzung des anisotropen magnetoresistiven Effekts ausgeführt sind und über die ein absoluter Winkelmessbereich von 180° ermittelt werden kann. Bei derartigen Sensoren handelt es sich zwar um preisgünstige Standardbauteile, andererseits ist für eine Vielzahl von Anwendungen ein absoluter Winkelmessbereich von 360° wünschenswert. Zur Realisierung eines 360°-Winkelbereiches sind Verfahren bekannt, bei denen modifizierte AMR-Sensorelemente zum Einsatz kommen. Diese Ausführungen haben jedoch den Nachteil, dass teuere, modifizierte Sensorelemente verwendet werden müssen. Auch die Signalauswertung gestaltet sich verhältnismäßig aufwendig.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, mit einfachen Mitteln die aktuelle Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteils in einem Winkelbereich von 360° festzustellen.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß bei einer Magnetfeld-Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 und bei einem Verfahren zur Detektierung der aktuellen Winkelposition mit den Merkmalen des Anspruches 6 gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.

Die erfindungsgemäße Magnetfeld-Sensoranordnung umfasst einen Winkelsensor, bei dem es sich um ein Standard-Bauteil handeln kann, beispielsweise um einen AMR-Sensor, und über den die aktuelle Winkelposition des drehbaren, magnetischen Bauteiles in lediglich einem 180°-Winkelbereich zu messen ist. Darüber hinaus umfasst die Magnetfeld-Sensoranordnung zumindest zwei weitere Sensorelemente, die dem Winkelsensor zugeordnet sind, wobei über diese Sensorelemente die aktuelle Magnetfeldrichtung des sich drehenden Bauteiles messbar ist. Diese Sensorelemente sind winklig zueinander angeordnet, derart, dass ihre die Hauptmessrichtung kennzeichnenden Achsen einen Winkel einschließen. Auch bei diesen Sensorelementen kann es sich um Standardbauteile handeln, beispielsweise um Hall-Sensoren.

Über die Kombination des Winkelsensors mit den beiden zusätzlichen Sensorelementen kann mit der erfindungsgemäßen Anordnung trotz des auf einen 180°-Winkelbereich eingeschränkten Messbereiches des Winkelsensors ein gesamter Winkelbereich von insgesamt 360° detektiert werden, indem die Signale der zusätzlichen Sensorelemente herangezogen und ausgewertet werden. Hierfür werden die Sensorelemente in der Weise angeordnet, dass ihr Messbereich entweder einem ersten 180°-Winkelbereich oder einem darauf folgenden, zweiten 180°-Winkelbereich. oder einem Überschneidungsbereich von erstem und zweitem 180°-Winkelbereich zugeordnet wird. Aufgrund der winkligen Anordnung relativ zueinander sind die von den zusätzlichen Sensorelementen gemessenen Magnetfeld-Winkelbereiche nicht identisch, sondern überdecken unterschiedliche Winkelabschnitte innerhalb des gesamten 360°-Winkelspektrums. Dieser Unterschied kann für eine eindeutige Identifizierung ausgenutzt werden, ob der aktuelle, von dem Winkelsensor detektierte Winkelwert sich im ersten 180°-Winkelbereich oder im darauf folgenden, zweiten 180°-Winkelbereich befindet. Auf diese Weise kann jeder Winkelwert innerhalb einer vollen 360°-Umdrehung des zu messenden Bauteiles exakt zugeordnet werden.

Gemäß einer ersten zweckmäßigen Ausführung sind zwei Sensorelemente, bei denen es sich insbesondere um schaltende Hall-Sensoren (Hall-Switches) handelt, dem Winkelsensor zugeordnet, wobei die beiden Sensorelemente in einem Winkelabstand von 90° zueinander platziert sind. Jedes Sensorelement kann vorteilhaft einen 180°-Magnetfeld-Winkelbereich erfassen, wobei jeder dieser von den Sensorelementen zu erfassenden Bereiche unterschiedlichen Abschnitten des von dem Winkelsensor zu detektierenden 360°-Winkelbereiches zugeordnet wird. Beispielsweise kann der von einem ersten Sensorelement erfasste 180°-Magnetfeld-Winkelbereich deckungsgleich sein mit einem 180°-Winkelbereich, welcher von dem Winkelsensor gemessen wird; der von dem zweiten Sensorelement erfasste 180°-Magnetfeld-Winkelbereich ist hierzu vorteilhaft versetzt und überdeckt beispielsweise die beiden nacheinander von dem Winkelsensor erfassten 180°-Winkelbereiche teilweise. Über die von den Sensorelementen gelieferten Werte ist eine eindeutige Zuordnung möglich, ob der von dem Winkelsensor gelieferte Winkelwert sich innerhalb des ersten oder innerhalb des zweiten 180°-Winkelbereiches befindet.

Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführung sind insgesamt drei Sensorelemente vorgesehen, die insbesondere in einem 120°- bzw. 60°-Winkel zueinander angeordnet sind. Über das dritte Sensorelement ist eine Plausibilitätskontrolle der Sensorsignale möglich, da in jedem Winkelbereich, welcher von dem Winkel sensor innerhalb des ersten oder innerhalb des zweiten 180°-Winkelabschnittes sensiert wird, die Signale von zwei der drei Sensorelemente ausgewertet werden können. Hierdurch ist es möglich, Einzelfehler in einem der beiden Sensorelemente, deren Sensorsignale aktuell ausgewertet werden, festzustellen und für die weitere Auswertung zu eliminieren bzw. Sensorfehler zu diagnostizieren, was insbesondere für sicherheitskritische Anwendungen gefordert wird.

Gegebenenfalls können auch mehr als drei Sensorelemente um den Winkelsensor angeordnet werden.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Magnetfeld-Sensoranordnung mit einem Winkelsensor, welcher die aktuelle Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteiles in einem 180°-Winkelbereich messen kann, sowie zwei dem Winkelsensor zugeordneten Sensorelementen, die zueinander in einem 90°-Winkel liegen,
2 Schaubilder mit dem von dem Winkelsensor gemessenen Winkelwert in Abhängigkeit vom mechanischen Drehwinkel (oberste Kurve), mit dem Signalverlauf des ersten Sensorelementes (mittlere Kurve) und mit dem Signalverlauf des zweiten Sensorelementes (untere Kurve),
3 eine weitere Magnetfeld-Sensoranordnung mit einem Winkelsensor und insgesamt drei in einem 120°-Winkel verteilten Sensorelementen,
4 Schaubilder mit den Verläufen des gemessenen Winkels des Winkelsensors und der aktuellen Magnetfeldrichtung der drei Sensorelemente.
Die in 1 dargestellte Magnetfeld-Sensoranordnung 1 wird zum Erfassen der aktuellen Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteils innerhalb einer Vollumdrehung, d. h. eines 360°-Winkelbereiches eingesetzt. Die Magnetfeld-Sensoranordnung 1 umfasst einen Winkelsensor 2, der als AMR-Element ausgeführt ist und auf dem anisotropen magnetoresistiven Effekt beruht, sowie zwei weitere Sensorelemente 3 und 4, die als schaltende Hall-Sensoren ausgebildet sind und über die die aktuelle Magnetfeldrichtung des sich drehenden, magnetischen Bauteiles messbar ist. Die beiden Sensorelemente 3 und 4 schließen zueinander einen 90°-Winkel ein. Der Winkelsensor 2 liefert als Messergebnis einen Winkelwert β, die Sensorelemente 3 und 4 liefern als Sensorsignale S₁ und S₂ ganzzahlige Werte, die entweder den Wert 0 oder den Wert 1 einnehmen, wobei der Wert 1 innerhalb eines 180°-Winkelbereiches mit einer Magnetfeldintensität, welche einen Grenzwert überschreitet, geliefert wird. Der Winkelsensor 2 ist in der Lage, über einen 180°-Winkelbereich den aktuellen Winkelwert des sich drehenden Bauteiles festzustellen.
Wie den Kurvenverläufen nach 2 zu entnehmen, steigt der gemessene Winkel β des Winkelsensors 2 proportional zum tatsächlichen Drehwinkel α des sich drehenden Bauteiles bis zu einem Winkelwert von 180° an. In einem darauf folgenden zweiten Winkelbereich zwischen 180° und der Vollumdrehung bei 360° beginnt der gemessene Winkel β des Winkelsensors 2 wieder beim Wert 0 und steigt erneut bis zum Wert 180° an.
Der Signalwert S₁ des ersten Sensorelementes 3 misst die aktuelle Magnetfeldrichtung des sich drehenden Bauteiles, wobei durch eine geeignete Relativpositionierung des Sensorelementes 3 zum Winkelsensor 2 der vom Sensorelement 3 ermittelte 180°-Magnetfeld-Winkelbereich sich zwischen 90° und 270° des Drehwinkels α erstreckt. Das Sensorsignal S₂ des zweiten Sensorelementes 4 liefert einen 180°-Magnetfeld-Winkelbereich, der sich genau mit dem zweiten 180°-Winkelbereich des Winkelsensors 2 deckt. Hierbei auftretende Positionierungs- und Montagetoleranzen zwischen dem AMR-Element und den Hall-Sensoren können durch einen Abgleich bei der Signalauswertung eliminiert werden, indem vorteilhafterweise der Signalverlauf des AMR-Elements bezogen auf den mechanischen Drehwinkel α verschoben wird. Eine Realisierung dieses Abgleichs erfolgt beispielsweise durch die Funktion β' = (β + Δβ) modulo(180°).
Hierzu ist Δβ der Abgleichparameter und β' das korrigierte Sensorsignal (5). Neben dem Abgleich der Positionierungs- und Montagetoleranzen ist das beschriebene Verfahren insbesondere dann vorteilhaft, wenn aufgrund des geometrischen Aufbaus der Sensorelemente eine Anordnung nach 1 bzw. 3 nicht möglich ist oder im AMR-Element die Messwiderstände intern um einen Winkel verschoben sind.
Die Auswertung der Signale β des Winkelsensors 2 sowie S₁ und S₂ der Sensorelemente 3 und 4 erfolgt nach dem folgenden Schema:
In einem Winkelbereich des Winkels α zwischen 0° und 180° – dies entspricht dem ersten 180°-Winkelbereich – liefert das erste Sensorelement 3 für den Fall, dass der gemessene Winkel β des Winkelsensors 2 in einem Winkelbereich zwischen 0° und 45° liegt, den Signalwert S₁ = 0. Für den gleichen gemessenen Winkelbereich β zwischen 0° und 45° liegt der Signalwert S₁ des ersten Winkelsensors 2 bei einem Winkel α zwischen 180° und 360° beim Wert 1. Für den gemessenen Winkelbereich zwischen 0° und 45° kann somit über den Signalwert S₁ unterschieden werden, ob der gemessene Winkel β innerhalb des ersten oder innerhalb des zweiten 180°-Winkelbereiches liegt. Der Signalwert S₂ des zweiten Sensorelementes 4 spielt in diesem Winkelbereich keine Rolle.
Für einen gemessenen Winkel β zwischen 45° und 135° werden dagegen nur die Signalwerte S₂ des zweiten Sensorelementes 4 herangezogen, nicht jedoch die Signalwerte S₁ des ersten Sensorelementes 3. In diesem Winkelbereich für den Winkel β beträgt der Signalwert S₂ im ersten 180°-Winkelabschnitt des Drehwinkels α gleich 0, im zweiten 180°-Winkelabschnitt dagegen gleich 1.
In einem Winkelbereich für den gemessenen Winkel β zwischen 135° und 180° werden wiederum die Signalwerte S₁ des ersten Sensorelementes 3 herangezogen, wohingegen die Signalwerte S₂ des zweiten Sensorelementes 4 keine Rolle spielen. Im ersten 180°-Winkelabschnitt des tatsächlichen Drehwinkels α liegt der Signalwert S₁ bei 1, im zweiten Winkelabschnitt zwischen 180° und 360° dagegen bei 0.
In 3 ist eine Magnetfeld-Sensoranordnung 1 mit einem als AMR-Element ausgeführten Winkelsensor 2 sowie drei Hall-Sensorelementen 3, 4 und 5 dargestellt, die in einem 120°-Winkelabstand zueinander angeordnet sind. 4 zeigt die Ver läufe der Sensorsignale des Winkelsensors 2 und der Sensorelemente 3, 4 und 5.
Der Verlauf des vom Winkelsensor 2 gemessenen Winkels β entspricht demjenigen aus 2 und steigt in zwei 180°-Winkelabschnitten vom Wert 0 ausgehend auf den maximalen Wert 180° an. Um zu verhindern, dass bei Ausfall eines Sensorelementes 3, 4 oder 5 eine eindeutige Zuordnung des gemessenen Winkels β in einen der beiden Winkelabschnitte des tatsächlichen Winkels α zwischen 0° und 180° bzw. zwischen 180° und 360° nicht mehr zuordenbar ist, werden jedem gemessenen Wert des Winkels β zwei Sensorsignale der Sensorelemente zugeordnet, wobei die beiden betrachteten Sensorsignale jeweils einen vorbestimmten Wert einnehmen müssen, damit volle Funktionsfähigkeit gewährleistet ist.
Das erste Sensorelement 3 liefert im zweiten Winkelabschnitt des tatsächlichen Drehwinkels α zwischen 180° und 360° den Signalwert 1, im ersten Winkelabschnitt zwischen 0° und 180° dagegen den Signalwert 0. Das zweite Sensorelement 4 liefert zwischen 120° und 300° den Signalwert 0, in den übrigen Bereichen den Signalwert 1. Das dritte Sensorelement 5 liefert zwischen 60° und 240° den Signalwert 1, in den übrigen Winkelbereichen den Signalwert 0.
Die Auswertung läuft folgendermaßen ab:
In einem Winkelbereich zwischen 0° und 30° des vom Winkelsensor 2 gemessenen Winkels β liegt für den ersten Winkelabschnitt zwischen 0° und 180° der Signalwert S₂ des zweiten Sensorelementes 4 beim Wert 1, der Signalwert S₃ des dritten Sensorelementes 5 beim Wert 0. Im zweiten Winkelabschnitt zwischen 180° und 360° liegen die Verhältnisse umgekehrt, der Signalwert S₂ beträgt 0 und der Signalwert S₃ beträgt 1. Die Signalwerte des ersten Sensorelementes 3 werden in diesem Winkelbereich nicht betrachtet.
In einem Winkelbereich des gemessenen Winkels β zwischen 30° und 90° werden die Signalwerte S₁ und S₂ des ersten Sensorelementes 3 bzw. des zweiten Sensorelementes 4 herangezogen, nicht jedoch diejenigen des dritten Sensorelementes 5. Der Signalwert S₁ beträgt im ersten 180°-Winkelabschnitt 0, der Signalwert S₂ 1. Im zweiten 180°-Winkelabschnitt, in welchem der Drehwinkel α zwischen 180° und 360° liegt, beträgt der Signalwert S₁ gleich 1 und der Signalwert S₂ gleich 0.
In einem folgenden, gemessenen Winkelbereich des Winkels β zwischen 90° und 150° werden die Signalwerte S₁ und S₃ des ersten bzw. dritten Sensorelementes, nicht jedoch die Signalwerte S₂ des zweiten Sensorelementes berücksichtigt. Der Signalwert S₁ liegt im 180°-Winkelbereich des Drehwinkels α bei 0, der korrespondierende Signalwert S₃ bei 1. Zwischen 180° und 360° des Drehwinkels α liegt der Signalwert S₁ bei 1 und der Signalwert S₃ bei 0.
In einem Winkelbereich des gemessenen Winkels β zwischen 150° und 180° werden die Signalwerte S₂ und S₃ des zweiten und dritten Sensorelementes herangezogen, nicht jedoch die Signalwerte S₁ des ersten Sensorelementes. Im ersten Winkelabschnitt des tatsächlichen Drehwinkels α zwischen 0° und 180° liegt S₂ bei 0, S₃ bei 1 und im zweiten Winkelabschnitt des Drehwinkels α zwischen 180° und 360° liegt S₂ bei 1 und S₃ bei 0.
Da die Werte der beiden jeweils zu berücksichtigenden Sensorelemente stets unterschiedlich entweder bei 0 oder bei 1 lie gen, können auch Unterbrechungen der Signalleitungen und Kurzschlüsse zwischen den Signalleitungen erkannt werden. Es können Einzelfehler in jedem der beiden aktuell betrachteten Sensorelemente detektiert werden.
Aufgrund des geometrischen Aufbaus der verwendeten Sensorelemente kann es zweckmäßig sein, die Hall-Sensoren nicht um jeweils 120°, sondern um 45° oder gegebenenfalls auch 60° gegeneinander zu verdrehen, wodurch sich die Positionierung der Hall-Sensoren auf den halben AMR-Sensor-Umfang beschränkt ( 6). Aufgrund dieser Anordnung werden die Signale S₂ und S₃ invertiert, was bei der Signalauswertung zu berücksichtigen ist. Die Signalauswertung erfolgt analog zum bereits beschriebenen Verfahren.

1: Magnetfeld-Sensoranordnung
2: Winkelsensor
3: Sensorelement
4: Sensorelement
5: Sensorelement

Claims

Magnetfeld-Sensoranordnung für einen Winkelsensor, über den die aktuelle Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteils in einem vorgegebenen Winkelbereich messbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Winkelsensor (2) zumindest zwei Sensorelemente (3, 4) zugeordnet sind, über die die aktuelle Magnetfeldrichtung des magnetischen Bauteils messbar ist, wobei die Sensorelemente (3, 4) in der Weise zueinander angeordnet sind, dass ihre die Hauptmessrichtung kennzeichnenden Achsen einen Winkel einschließen.
Magnetfeld-Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass insgesamt zwei Sensorelemente (3, 4) in einem Winkelabstand von 90° vorgesehen sind.
Magnetfeld-Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass insgesamt drei Sensorelemente (3, 4, 5) in einem Winkelabstand von 120° vorgesehen sind.
Magnetfeld-Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass insgesamt drei Sensorelemente (3, 4, 5) in einem Winkelabstand von 45° vorgesehen sind.
Magnetfeld-Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsensor (2) als AMR-Sensor (anisotroper magnetoresistiver Effekt) ausgeführt ist.
Magnetfeld-Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (3, 4, 5) als Hall-Sensoren ausgebildet sind.
Verfahren, insbesondere zum Betrieb der Magnetfeld-Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, zur Detektierung der aktuellen Winkelposition in einem 180°-Winkelbereich eines drehbaren magnetischen Bauteils mit Hilfe eines Winkelsensors (2), dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die aktuelle Magnetfeldrichtung des Bauteils aus zumindest zwei unterschiedlichen Hauptmessrichtungen gemessen wird, wobei die Hauptmessrichtungen in der Weise zueinander ausgerichtet werden, dass der Messbereich für die erste Hauptmessrichtung zumindest abschnittsweise einem ersten, von dem Winkelsensor gemessenen 180°-Winkelbereich des sich drehenden Bauteils und der Messbereich für die zweite Hauptmessrichtung zumindest abschnittsweise einem zweiten gemessenen 180°-Winkelbereich des sich drehenden Bauteils zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldrichtung in einem 180°-Magnetfeld-Winkelbereich gemessen wird, der zumindest abschnittsweise dem von dem Winkelsensor (2) gemessenen 180°-Winkelbereich zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Magnetfeldrichtung aus zwei unterschiedlichen Hauptmessrichtungen gemessen wird, die einen 90°-Winkel einschließen.
Verfahren nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste 180°-Magnetfeld-Winkelbereich der zweiten Hälfte des ersten 180°-Winkelbereich und der ersten Hälfte des zweiten 180°-Winkelbereich und der zweite 180°-Magnetfeld-Winkelbereich dem zweiten 180°-Winkelbereich zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Magnetfeldrichtung aus drei unterschiedlichen Hauptmessrichtungen gemessen wird, die jeweils einen 120°-Winkel einschließen.
Verfahren nach Anspruch 7 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste 180°-Magnetfeld-Winkelbereich genau einem 180°-Winkelbereich zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Magnetfeldrichtung aus drei unterschiedlichen Hauptmessrichtungen gemessen wird, die jeweils einen 45°-Winkel einschließen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Magnetfeldrichtung wiedergebender, gemessener Signalwert bei Überschreitung eines Magnetfeldgrenzwerts auf einen konstanten Wert und unterhalb des Magnetfeldgrenzwerts auf Null gesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausgleich von Positionierungs- und Montagetoleranzen zwischen dem Winkelsensor (2) und den Sensorelementen (3, 4, 5) eine Ausgleichsfunktion gemäß der Beziehung β' =(β + Δβ) modulo(180°) ermittelt wird, wobei mit β der gemessene Winkel β' das korrigierte Sensorsignal Δβ ein Abgleichparameter bezeichnet ist.