DE112010001531T5

DE112010001531T5 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE112010001531T5
Application number: DE112010001531T
Authority: DE
Inventors: Alfred J. Santos; Mark E. LaCroix; Lei Wang
Original assignee: Timken Co
Current assignee: Timken Co
Priority date: 2009-04-06
Filing date: 2010-04-02
Publication date: 2012-07-05
Also published as: WO2010117891A3; US20140340077A1; WO2010117891A2; KR20120005452A; US20120019234A1; US9383226B2; US8823365B2

Abstract

Eine Sensoranordnung weist eine Magnetspur mit mehreren magnetischen Polen auf, die durch mehrere Polverbindungen voneinander getrennt sind. Die Sensoranordnung weist außerdem einen ersten magnetischen Sensor auf, der in der Nähe eines hoch-auflösenden Teils der Magnetspur angeordnet ist, sowie einen zweiten magnetischen Sensor, der in der Nähe eines Referenzteils der Magnetspur angeordnet ist. Der zweite magnetische Sensor erstreckt sich über benachbarte Polverbindungen in der Magnetspur. Jede der benachbarten Polverbindungen weist einen hoch-auflösenden Abschnitt auf, der dem hochauflösenden Teil der Magnetspur entspricht, sowie einen Referenzabschnitt, der dem Referenzteil der Magnetspur entspricht. Der Referenzabschnitt jeder Polverbindung ist entweder versetzt zu oder ausgerichtet mit dem entsprechenden hoch-auflösenden Abschnitt in jeder Polverbindung angeordnet.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der parallel anhängigen US Provisional Patentanmeldung Nr. 61/166,946, die am 06. April 2009 eingereicht wurde, deren gesamter Inhalt hier durch Bezugnahme darauf aufgenommen ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Sensoranordnungen und insbesondere auf magnetische Kodierer (Encoder), die eine Magnetspur mit mehreren Magnetpolpaaren aufweisen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Magnetische Kodierer werden typischerweise dazu verwendet, eine Position eines sich bewegenden Objekts in einem mechanischen System zu ermitteln, so dass die Position oder Bewegung des Objekts in dem mechanischen System gesteuert werden kann. Magnetische Kodierer weisen typischerweise ein auf dem sich bewegenden Objekt angebrachtes Ziel (Target) auf, das zweifache mehrpolige Magnetspuren umfasst, sowie magnetische Sensoren (zum Beispiel Reihen von Hall-Effekt-Einrichtungen), die in der Nähe der Pole der betreffenden Magnetspuren angeordnet sind. Der Polabstand der jeweiligen Magnetspuren ist typischerweise unterschiedlich, um eine Phasendifferenz in den Signalen zu induzieren, die von den magnetischen Sensoren über den betreffenden Spuren erfasst werden. Die Phasendifferenz zwischen den betreffenden Signalen der magnetischen Sensoren wird dann dazu verwendet, die Position des Targets, und daher die des beweglichen Objekts, zu jeder beliebigen Zeit zu ermitteln. Mit anderen Worten kann die Position einer der Magnetspuren (das heißt der ”gemessenen Spur”) ermittelt werden, indem das von dem magnetischen Sensor über der gemessenen Spur ausgegebene Signal mit dem von dem magnetischen Sensor über der anderen Spur (das heißt der ”Referenzspur”) ausgegebenen Signal verglichen wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schafft in einem Gesichtspunkt eine Sensoranordnung, die eine Magnetspur mit mehreren Magnetpolen aufweist, die durch mehrere Polverbindungen voneinander getrennt sind. Die Sensoranordnung weist des Weiteren einen ersten magnetischen Sensor auf, der in der Nähe eines hoch-auflösenden Teils der Magnetspur angeordnet ist, sowie einen zweiten magnetischen Sensor, der in der Nähe eines Referenzteils der Magnetspur angeordnet ist. Der zweite magnetische Sensor erstreckt sich über benachbarte Polverbindungen in der Magnetspur. Jede der benachbarten Polverbindungen weist einen hoch-auflösenden Abschnitt auf, der dem hochauflösenden Teil der Magnetspur entspricht, sowie einen Referenzabschnitt, der dem Referenzteil der Magnetspur entspricht. Der Referenzabschnitt jeder Polverbindung ist versetzt zu oder ausgerichtet mit dem entsprechenden hochauflösenden Abschnitt in jeder Polverbindung angeordnet.
Die vorliegende Erfindung schafft in einem anderen Gesichtspunkt ein Verfahren zum Ermitteln einer Position auf einer Magnetspur eines Kodierers. Das Verfahren umfasst die Schritte: Vorsehen einer Gruppe magnetischer Polpaare, die einen Teil der Magnetspur bildet, Aufzeichnen einer relativen Position innerhalb eines ersten magnetischen Polpaars in der Gruppe unter Verwendung eines ersten magnetischen Sensors in der Nähe eines hoch-auflösenden Teils der Magnetspur, Erfassen benachbarter Polverbindungen innerhalb der Gruppe der magnetischen Polpaare mit einem zweiten magnetischen Sensor, der in der Nähe eines Referenzteils der Magnetspur angeordnet ist, Korrelieren der benachbarten Polverbindungen mit dem ersten magnetischen Polpaar, um eine relative Position des ersten magnetischen Polpaars innerhalb der Gruppe zu ermitteln, und Berechnen einer lokalen absoluten Position innerhalb der Gruppe unter Verwendung der relativen Position innerhalb des ersten magnetischen Polpaars sowie der relativen Position des ersten magnetischen Polpaars innerhalb der Gruppe.
Weitere Merkmale und Gesichtspunkte der Erfindung ergeben sich aus einer Betrachtung der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Sensoranordnung der vorliegenden Erfindung, die eine Magnetspur und zwei magnetische Sensoren darstellt, die in der Nähe einer ersten Position auf der Magnetspur angeordnet sind.
2 ist eine schematische Ansicht eines einzigen Mikrochips, der die zwei magnetischen Sensoren aus 1 enthält.
3 ist eine schematische Ansicht der magnetischen Sensoren aus 1, die in der Nähe einer zweiten Position auf der Magnetspur angeordnet sind.
4 ist eine schematische Ansicht einer herkömmlichen Sensoranordnung, die derart betriebsfähig ist, dass sie U-, V-, W-artige Kommutierungssignale abgibt.
5 ist ein Diagramm, das die U-, V-, W-artigen Kommutierungssignale darstellt, die von der herkömmlichen Sensoranordnung der 4 oder dem magnetischen Kodierer der 1 abgegeben werden können.
6 ist eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform einer Sensoranordnung der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine schematische Ansicht noch einer anderen Ausführungsform einer Sensoranordnung der vorliegenden Erfindung, die eine Magnetspur sowie zwei magnetische Sensoren darstellt, die in der Nähe einer ersten Position auf der Magnetspur angeordnet sind.
8 ist eine schematische Ansicht der magnetischen Sensoren aus 7, die in der Nähe einer zweiten Position auf der Magnetspur angeordnet sind.
9 ist eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform einer Sensoranordnung der vorliegenden Erfindung, die Polverbindungen darstellt, die unterschiedliche Versatzabmessungen aufweisen.
Bevor irgendwelche Ausführungsformen der Erfindung im Detail erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Details des Aufbaus und der Anordnung der Komponenten beschränkt ist, wie sie in der nachfolgenden Beschreibung dargelegt oder in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt sind. Die Erfindung kann andere Ausführungsformen umfassen und in verschiedenen Weisen in die Praxis umgesetzt oder ausgeführt werden. Es versteht sich außerdem, dass die hier verwendete Wortwahl und Terminologie dem Zweck der Beschreibung dient und nicht als beschränkend angesehen werden sollte.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf 1 wird eine Sensoranordnung oder ein magnetischer Kodierer 10 schematisch dargestellt. Der Kodierer 10 weist eine Magnetspur 14 auf, die mehrere Nord/Süd-Polpaare 18 aufweist. Obwohl die Magnetspur 14 aus Gründen der Klarheit schematisch in einer linearen Anordnung dargestellt ist, ist der Kodierer 10 als ein rotierender Kodierer konfiguriert, der ein sich drehendes Target 22 aufweist, auf dem die Magnetspur 14 angebracht ist. In einer derartigen Konfiguration wäre die Magnetspur 14 kreisförmig und konzentrisch mit der Rotationsachse des sich drehenden Targets 22. Der Kodierer 10 der vorliegenden Erfindung kann alternativ jedoch als ein linearer Kodierer konfiguriert sein, der eine im wesentlichen ähnliche Struktur sowie ein Betriebsverfahren aufweist, wie sie hier in Bezug auf den rotierenden Kodierer 10 beschrieben werden.
Unter weiterer Bezugnahme auf 1 ist nur ein Teil der Magnetspur 14 dargestellt. Der dargestellte Teil der Magnetspur 14 weist insbesondere eine Gruppe 26 aus vier Polpaaren 18a bis 18d auf, von denen jedes eine Polverbindung 30 aufweist, die die einzelnen Nord/Süd-Pole in den jeweiligen Polpaaren 18 trennt. Jede der Polverbindungen 30 ist in einen hoch-auflösenden Abschnitt 34, der einem hoch-auflösenden Teil 38 der Magnetspur 14 entspricht, sowie einen Referenzabschnitt 42a, 42b unterteilt, der einem Referenzteil 46 der Magnetspur 14 entspricht (wie unten detaillierter diskutiert wird). Jede der Polverbindungen 30 in der Magnetspur 14 ist außerdem mit einem Versatz versehen oder gestuft, so dass der Referenzabschnitt 42a, 42b jeder der Polverbindungen 30 von dem hoch-auflösenden Abschnitt 34 der gleichen Polverbindung 30 versetzt ist. Insbesondere sind die hoch-auflösenden Abschnitte 34 benachbarter Polverbindungen 30 gleichmäßig voneinander beabstandet, während die Referenzabschnitte 42a, 42b benachbarter Polverbindungen 30 ungleichmäßig beabstandet sein können, was von der Richtung des Versatzes der benachbarten Referenzabschnitte 42a, 42b abhängt.
Unter weiterer Bezugnahme auf 1 weisen einige der Polverbindungen 30 einen Referenzabschnitt 42a auf, der nach rechts von dem hoch-auflösenden Abschnitt 34 der gleichen Polverbindung 30 versetzt ist (das heißt, ein nach rechts versetzter Referenzabschnitt 42a), während andere Polverbindungen 30 einen Referenzabschnitt 42b aufweisen, der nach links von dem hoch-auflösenden Abschnitt 34 der gleichen Polverbindung 30 versetzt ist (das heißt, ein nach links versetzter Referenzabschnitt 42b). Die Referenzabschnitte 42a, 42b können innerhalb der Gruppe 26 benachbarter Magnetpolpaare 18a bis 18d angeordnet sein, um eine eindeutige Kombination oder Abfolge von Zuständen (zum Beispiel entweder Rechts-Versatz oder Links-Versatz) für jedes Polpaar 18a bis 18d in der Gruppe 26 zu schaffen. Als ein Ergebnis kann ein bestimmtes Polpaare 18a bis 18d identifiziert werden, indem es mit seiner zugeordneten eindeutigen Kombination benachbarter Rechts-Versatz- und Links-Versatz-Referenzabschnitte 42a, 42b abgeglichen wird. Unter Verwendung dieser ”Zwei-Zustands”-Logik (das heißt indem nur Rechts-Versatz- und Links-Versatz-Referenzabschnitte 42a, 42b verwendet werden), können die vier in 1 dargestellten benachbarten Polpaare 18a bis 18d gemäß der untenstehenden Tabelle 1 eindeutig identifiziert werden, in der ”R” einen Rechts-Versatz-Referenzabschnitt 42a und ”L” einen Links-Versatz-Referenzabschnitt 42b bezeichnet.

Polverbindungen Polpaare

1 2 3 4

Nord/Süd L L R R

Süd/Nord L R L R

Tabelle 1
Die Nord/Süd-Polverbindung ist die Polverbindung 30 zwischen den Nord- und Südpolen innerhalb eines bestimmten Polpaars 18a bis 18d, während die Süd/Nord-Polverbindung die Polverbindung 30 zwischen dem Südpol und dem Nordpol benachbarter Polpaare 18a bis 18d ist. Wie es unten detaillierter beschrieben wird, ist der magnetische Kodierer 10 der vorliegenden Erfindung derart betriebsfähig, dass er die absolute Position der Magnetspur 14 lokal innerhalb der Gruppe 26 aus vier magnetischen Polpaaren 18a bis 18d ermittelt, indem die eindeutige Kombination benachbarter Rechts-Versatz- und Links-Versatz-Referenzabschnitte 42a, 42b erkannt wird, die die einzelnen Pole in den Polpaaren 18a bis 18d trennen.
Der magnetische Kodierer 10 weist außerdem einen ersten oder hoch-auflösenden magnetischen Sensor 50 in der Nähe des hoch-auflösenden Teils 38 der Spur 14 auf, sowie einen zweiten magnetischen Sensor 54 in der Nähe des Referenzteils 46 der Spur 14. Jeder der Sensoren 50, 54 ist als ein multiplizierender Hall-Reihen-Sensor konfiguriert, und beide Sensoren 50, 54 sind auf einem einzigen Substrat oder Mikrochip 58 angeordnet (s. auch 2). Jeder der Sensoren 50, 54 umfasst eine Anordnung individueller (zum Beispiel vier oder mehr) Hall-Fühlerelemente, die in einer Linie angeordnet sind. Insbesondere kann in einer Ausführungsform des Kodierers 10 jeder der Sensoren 50, 54 eine Anordnung aus 16 individuellen Hall-Fühlerelementen aufweisen, die in einer Linie angeordnet sind. Unter Bezugnahme auf 1 haben sowohl der Referenzsensor 54 als auch der hoch-auflösende Sensor 50 eine Länge, die ausreicht, um sich über benachbarte Polverbindungen 30, in der Magnetspur 14 zu erstrecken und die Anwesenheit benachbarter Polverbindungen 30 zu jeder beliebigen Zeit zu erfassen (das heißt, mindestens eine Nord/Süd-Polverbindung 30 und mindestens eine benachbarte Süd/Nord-Polverbindung 30). Mit anderen Worten ist die Länge jedes der Sensoren 50, 54 größer als der Abstand zwischen benachbarten Polverbindungen. Der Betrag an Versatz zwischen dem hochauflösenden Abschnitt 34 und dem Referenzabschnitt 42a oder 42b in jeder Polverbindung 30 kann kleiner sein als der Abstand zwischen benachbarten einzelnen Hall-Fühlerelementen in dem Referenzsensor 54. Alternativ kann sich der hochauflösende Sensor 50 nicht über benachbarte Polverbindungen 30 in der Magnetspur 14 erstrecken. Als eine weitere Alternative können die Sensoren 50, 54 auf getrennten Mikrochips angeordnet sein, oder die einzelnen Sensorelemente in jeder Sensoranordnung können unabhängig voneinander als gesonderte Hall-Effekt-Sensoren gelagert sein.
Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 weist der magnetische Kodierer 10 außerdem ein in Verbindung mit den Sensoren 50, 54 stehendes Logikmodul 62 auf. Das Logikmodul 62 kann eine fest verdrahtete elektronische Schaltung oder ein Mikroprozessor sein, die dafür betriebsfähig sind, von den Sensoren 50, 54 erfasste hoch-auflösende Signale bzw. Referenzsignale aufzunehmen, die Signale zu analysieren und die lokale absolute Position der Magnetspur 14 innerhalb der Gruppe 26 von vier Polpaaren 18a bis 18d zu berechnen. Das Logikmodul 62 kann auf dem Mikrochip 58 mit den Sensoren 50, 54 angeordnet sein, oder das Logikmodul 62 kann auf einem anderen Substrat anstelle des Mikrochips 58 angeordnet sein. Obwohl eine physische (das heißt verdrahtete) Verbindung schematisch in den 1 und 2 dargestellt ist, kann eine drahtlose Verbindung verwendet werden, um es den Sensoren 50, 54 zu ermöglichen, mit dem Logikmodul 62 zu kommunizieren. Das Logikmodul 62 ist des weiteren so betriebsfähig, dass es die lokale absolute Position der Magnetspur 14 innerhalb der Gruppe 26 von vier Polpaaren 18a bis 18d an eine andere Steuereinrichtung (zum Beispiel eine Motorsteuerung) in dem System ausgibt, in dem der Kodierer 10 verwendet wird.
Wie es der Fachmann versteht, kann der hochauflösende Sensor 50 mit einer speziellen Auflösung (das heißt ”Zählimpulse” oder ”Flanken” pro Polpaar) konfiguriert sein, um eine Gesamtzahl an Zählimpulsen oder Flanken pro Umdrehung der Magnetspur 14 zu ergeben. Beispielsweise kann der hoch-auflösende Sensor 50 derart konfiguriert sein, dass er eine Auflösung von 160 Zählimpulsen pro Polpaar aufweist, so dass insgesamt 640 Zählimpulse erfasst werden können, wenn sich die Magnetspur 14 durch die Gruppe 26 der in 1 gezeigten vier Polpaare 18a bis 18d dreht. Um die insgesamt 640 Zählimpulse zu erhalten, zählt der hoch-auflösende Sensor 50 für das erste Polpaar 18a von 1 bis 160 (wobei die Zählimpulse 1 bis 80 innerhalb des Nordpols auftreten und die Zählimpulse 81 bis 160 innerhalb des Südpols des ersten Polpaars 18a auftreten), wird zurückgesetzt und setzt das Zählen von 1 bis 160 für das zweite Polpaar 18b fort, und so weiter.
Wie zuvor erwähnt wurde, ist in 1 allerdings nur ein Teil der Magnetspur 14 dargestellt. Eine typische Anwendung des Kodierers 10 könnte mindestens 16 Magnetpolpaare auf der Magnetspur 14 erfordern. In dieser Situation würde die in 1 gezeigte Gruppe 26 von vier Polpaaren 18a bis 18d vier Mal um die Umfangslänge der Magnetspur 14 herum wiederholt werden, um die erforderlichen 16 Polpaare zu ergeben. Als solches kann die absolute Position der Magnetspur 14 lokal innerhalb einer Viertel-Drehung des sich drehenden Targets 22 ermittelt werden, an dem die Magnetspur 14 angebracht ist, wobei die eindeutige Kombination benachbarter Rechts-Versatz- und Links-Versatz-Referenzabschnitte 42a, 42b verwendet wird, die in 1 dargestellt und in Tabelle 1 beschrieben ist.
Während des Betriebs des Kodierers 10 (das heißt, wenn sich das rotierende Target 22 und die Magnetspur 14 relativ zu den Sensoren 50, 54 im Uhrzeigersinn oder in einer Richtung von links nach rechts in der Ansicht der 1 drehen) ist der hoch-auflösende Sensor 50 so konfiguriert, dass er das von dem hoch-auflösenden Teil 38 der Spur 14 abgegebene magnetische Feld erfasst, und der Referenzsensor 54 ist so konfiguriert, dass er das von dem Referenzteil 46 der Spur 14 abgegebene magnetische Feld erfasst. Der analoge Ausgang jedes der Sensoren 50, 54 ist sinusförmig, wobei ein positiver Wert dem Nordpol in jedem Polpaar 18a bis 18d zugeordnet ist und ein negativer Wert dem Südpol in jedem Polpaar 18a bis 18d zugeordnet ist. Als ein Ergebnis des ungleichen Abstands der Referenzabschnitte 42a, 42b der Polverbindungen 30 ist der sinusförmige Ausgang des Referenzsensors 54 phasenverschoben zu dem sinusförmigen Ausgang des hoch-auflösenden Sensors 50.
Der sinusförmige Ausgang jedes der Sensoren 50, 54 wird in das Logikmodul 62 eingegeben, das den sinusförmigen Ausgang jedes der Sensoren 50, 54 vergleicht und feststellt, ob die Phase des sinusförmigen Ausgangs des Referenzsensors 54 dem sinusförmigen Ausgang des hoch-auflösenden Sensors voreilt oder dem sinusförmigen Ausgang des hoch-auflösenden Sensors 50 nachläuft. Insbesondere kann das Logikmodul 62 den sinusförmigen Ausgang der einzelnen Hall-Elemente des Referenzsensors 54 mit dem sinusförmigen Ausgang der einzelnen Hall-Elemente des hoch-auflösenden Sensors 50 vergleichen. Alternativ kann das Logikmodul 62 einen gleitenden Mittelwert des Ausgangs einer Gruppe (zum Beispiel drei oder sechs) benachbarter Hall-Elemente des Referenzsensors 54 mit dem gleitenden Mittelwert des Ausgangs einer Gruppe benachbarter Hall-Elemente des hoch-auflösenden Sensors 50 vergleichen.
Mit anderen Worten ist das Logikmodul 62 dafür betriebsfähig, zu ermitteln, ob der Referenzsensor 54 in der Nähe eines Links-Versatz-Referenzabschnitts 42b angeordnet ist (das heißt, wenn der sinusförmige Ausgang des Referenzsensors 54 dem sinusförmigen Ausgang des hoch-auflösenden Sensors 50 voreilt), oder ob der Referenzsensor 54 in der Nähe eines Rechts-Versatz-Referenzabschnitts 42a angeordnet ist (das heißt, wenn der sinusförmige Ausgang des Referenzsensors 54 dem sinusförmigen Ausgang des hoch-auflösenden Sensors 50 nachläuft). Da sich der Referenzsensor 54 über den Abstand zwischen mindestens einer Nord/Süd-Polverbindung 30 und mindestens einer Süd/Nord-Polverbindung 30 auf der Magnetspur 14 erstreckt, ist der Referenzsensor 54 derart betriebsfähig, dass er benachbarte Nord/Süd- und Süd/Nord-Polverbindungen 30 erfasst, und das Logikmodul 62 ist derart betriebsfähig, dass es die besondere Kombination der von dem Referenzsensor 54 erfassten Nord/Süd- und Süd/Nord-Polverbindungen 30 mit einem der Magnetpolpaare 18a bis 18d in der Gruppe 26 der in 1 dargestellten vier Polpaare 18a bis 18d korreliert, um eine relative Position der bestimmten Polpaare 18a bis 18d innerhalb der Gruppe 26 zu ermitteln. Es sollte sich verstehen, dass der Kodierer 10 auf diese Weise betriebsfähig ist, wenn sich die Magnetspur 14 relativ zu dem Referenzsensor 54 dreht oder stationär ist.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 1 ist die Magnetspur 14 dargestellt, wie sie in eine Position gedreht ist, in der sich der Referenzsensor 54 von der Nord/Süd-Polverbindung 30 des dritten Polpaars 18c zu der Süd/Nord-Polverbindung 30 zwischen den dritten und vierten Polpaaren 18c, 18d erstreckt. In diesem Fall wäre das Logikmodul 62 in der Lage, die absolute Position der Magnetspur 14 lokal innerhalb der Gruppe 26 der vier Polpaare 18a bis 18d zu ermitteln, indem der der Nord/Süd-Polverbindung 30 des dritten Polpaars 18c zugeordnete Rechts-Versatz-Referenzabschnitt 42a bzw. der der Süd/Nord-Polverbindung 30 zwischen den dritten und vierten Polpaaren 18c, 18d zugeordnete Links-Versatz-Referenzabschnitt 42b erkannt werden, indem die Phasendifferenz der sinusförmigen Ausgänge des Referenzsensors 54 und des hoch-auflösenden Sensors 50 verglichen werden, wie es oben beschrieben wurde. Das Logikmodul 62 würde dann auf eine Nachschlagetabelle ähnlich der Tabelle 1 Bezug nehmen, um festzustellen, dass nur das dritte Polpaar 18c die ermittelte Kombination von Rechts-Versatz- und Links-Versatz-Referenzabschnitten 42a, 42b aufweist, was bedeutet, dass zwei Paare (das heißt die Polpaare 18a und 18b) links von dem Referenzsensor 54 angeordnet sind und der Referenzsensor 54 in der Nähe des dritten Polpaars 18c angeordnet oder mit diesem ausgerichtet ist. Das Logikmodul 62 kann dann die lokale absolute Position innerhalb der Gruppe 26 berechnen, indem der aufgezeichnete oder aufgenommene Zählimpulswert des hochauflösenden Sensors 50 und die relative Position des dritten Polpaars 18c innerhalb der Gruppe 26 verwendet werden. Insbesondere würde das Logikmodul 62 die folgende Berechnung ausführen, um die lokale absolute Position der Magnetspur 14 innerhalb der Gruppe 26 der vier Polpaare 18a bis 18d zu ermitteln: 2 Polpaare nach links von dem Referenzsensor 54 × 160 Zählimpulse/Polpaar + Anzahl der von dem hoch-auflösenden Sensor 50 erfassten oder aufgenommenen Zählimpulse. In einem Fall, in dem der aufgenommene Zählimpulswert des hochauflösenden Sensors 50 gleich 70 ist, wäre beispielsweise der berechnete Zählimpulswert gleich 390 (das heißt 2 × 160 + 70), was mit der 390ten Position der insgesamt 640 Zählimpulspositionen korreliert, die von dem Sensor 50 innerhalb der lokalen Gruppe 26 der vier magnetischen Polpaare 18a bis 18d erfasst werden können.
Bei Betrachtung eines anderen Beispiels unter Bezugnahme auf 3 ist die Magnetspur 14 in eine Position gedreht dargestellt, in der sich der Referenzsensor 54 über die Süd/Nord-Polverbindung 30 zwischen dem ersten Polpaar 18a und dem zweiten Polpaar 18b und die Nord/Süd-Polverbindung 30 innerhalb des zweiten Polpaars 18b erstreckt. In diesem Fall wäre das Logikmodul 62 in der Lage, die absolute Position der Magnetspur 14 innerhalb der lokalen Gruppe 26 der vier Polpaare 18a bis 18d zu ermitteln, indem der der Süd/Nord-Polverbindung 30 zwischen den ersten und zweiten Polpaaren 18a, 18b zugeordnete Links-Versatz-Referenzabschnitt 42b und der der Nord/Süd-Polverbindung 30 innerhalb des zweiten Polpaars 18b zugeordnete Links-Versatz-Referenzabschnitt 42b erkannt werden, indem die Phasendifferenz der sinusförmigen Ausgänge des Referenzsensors 54 und des hoch-auflösenden Sensors 50 verglichen wird, wie es oben beschrieben wurde. Das Logikmodul 62 würde dann auf eine Nachschlagetabelle ähnlich der Tabelle 1 Bezug nehmen, um festzustellen, dass die ermittelte Kombination der Rechts-Versatz- und Links-Versatz-Referenzabschnitte 42a, 42b den Referenzsensor 54 irgendwo zwischen den ersten und zweiten Polpaaren 18a, 18b anordnet.
Das Logikmodul 62 würde dann auf den von dem hochauflösenden Sensor 50 aufgenommenen Zählimpulswert blicken. Wenn der aufgenommene Zählimpulswert zwischen 81 und 160 liegt, ist die lokale absolute Position irgendwo innerhalb des ersten Polpaars 18a. Wenn der aufgenommene Zählimpulswert jedoch zwischen 1 und 80 liegt, ist die lokale absolute Position irgendwo innerhalb des zweiten Polpaars 18b. Für einen Zählimpulswert des hoch-auflösenden Sensors 50 gleich 30 würde das Logikmodul 62 die folgende Berechnung durchführen, um die absolute Position innerhalb der lokalen Gruppe 26 der vier Polpaare 18a bis 18d zu ermitteln: 1 Polpaar nach links von dem Referenzsensor 54 × 160 Zählimpulse/Polpaar + 30 = 190, was mit der 190ten Position der insgesamt 640 Zählimpulse korreliert, die von dem Sensor 50 innerhalb der lokalen Gruppe 26 der vier magnetischen Polpaare 18a bis 18d erfasst werden können. Für einen Zählimpulswert des hochauflösenden Sensors 50 gleich 130 würde das Logikmodul 62 die folgende Berechnung durchführen, um die absolute Position innerhalb der lokalen Gruppe 26 der vier Polpaare 18a bis 18d zu ermitteln: 0 Polpaare nach links von dem Referenzsensor 54 × 160 Zählimpulse/Polpaar + 130 = 130, was mit der 130ten Position der insgesamt 640 Zählimpulspositionen korreliert, die von dem Sensor 50 innerhalb der lokalen Gruppe 26 der vier magnetischen Polpaare 18a bis 18d erfasst werden können.

Unter Bezugnahme auf 4 weisen herkömmliche magnetische Kodierer E typischerweise drei gesonderte Hall-Effekt-Sensoren U, V, W auf, eine zugeordnete Magnetspur T1, die eines oder mehrere Nord/Süd-Polpaare aufweist (wobei nur ein einziges Nord/Süd-Polpaar in 4 gezeigt ist), sowie eine hoch-auflösende Magnetspur T2, die an einem gemeinsamen rotierenden Target (zum Beispiel einem Anker eines Elektromotors) angebracht ist. Die Sensoren U, V, W sind unter einem Abstand um die Rotationsachse der Spuren T1, T2 in Intervallen von 120° angeordnet, und sie werden ”ein” und ”aus” geschaltet, indem die Polverbindungen zwischen den einzelnen Polpaaren der Spur T1 erfasst werden. Als solches wird jeder Sensor U, V, W für 180° einer Drehung der Magnetspur T1 ”ein” geschaltet, und jeder Sensor U, V, W wird für 180° einer Drehung der Magnetspur T1 ”aus” geschaltet (s. 5). Als Ergebnis kann die Position der Magnetspuren T1, T2 ermittelt werden, indem die eindeutigen Kombinationen der ”Ein”- und ”Aus”-Zustände der Sensoren U, V, W über eine einzige vollständige Umdrehung der Magnetspuren T1, T2 und des zugeordneten rotierenden Targets verwendet werden. Beispielsweise zeigt Tabelle 2 unten sechs verschiedene Rotationspositionen der Magnetspur T1 und des zugeordneten rotierenden Targets auf der Basis der eindeutigen Kombinationen der von den Sensoren U, V, W gezeigten ”Ein”- und ”Aus”-Zustände:

Rotationsposition Nr.	Rotationsposition (Grad)	U, V, W-Ausgang (1 = ”ein”; 0 = ”aus”)
1	0–60	1, 0, 1
2	61–120	1, 0, 0
3	121–180	1, 1, 0
4	181–240	0, 1, 0
5	241–300	0, 1, 1
6	301–360	0, 0, 1

Tabelle 2

Unter Verwendung der von dem magnetischen Kodierer E der 4 ausgegebenen U-, V-, W-Kommutierungssignale kann eine mit dem magnetischen Kodierer E gekoppelte Steuereinrichtung die Drehposition der Spuren T1, T2 sowie des zugeordneten, sich drehenden Targets (das heißt innerhalb von 60°-Schritten) feststellen. Beispielsweise kann der in 4 gezeigte magnetische Kodierer E mit einer Motorsteuerung ausgeführt sein, um die Position eines Ankers eines bürstenlosen Gleichstrom-Elektromotors in Bezug auf die Feldkomponente des Motors bei einer Frequenz von vier mal pro Umdrehung des Ankers zu ermitteln. Somit wird einmal pro Viertel-Umdrehung des Ankers der U-, V-, W-Ausgang des magnetischen Kodierers E von der Motorsteuerung analysiert, um die relative Position des Ankers und der Spuren T1, T2 in Bezug zu der Feldkomponente des Motors zu ermitteln (das heißt, der U-, V-, W-Ausgang korreliert mit einer der Positionen 1 bis 6; s. Tabelle 2). Die Motorsteuerung verwendet diese Information dann dazu, die Stromrichtung durch den Anker umzuschalten, um zu bewirken, dass sich der Anker kontinuierlich in Bezug auf die Feldkomponente des Motors dreht.
Der Kodierer 10 der 1 kann dazu verwendet werden, die gleichen U-, V-, W-Kommutierungssignale ohne die zusätzlichen Hall-Effekt-Sensoren U, V, W und die zugeordnete, einzelne Polpaar-Magnetspur T1 zu erzeugen. In einer Anwendung des Kodierers 10, die 16 Polpaare in der Magnetspur 14 benötigt, würde insbesondere die in 1 gezeigte Gruppe 26 der vier Polpaare 18a bis 18d vier Mal um die Umfangslänge der Magnetspur 14 wiederholt werden, um die erforderlichen 16 Polpaare zu ergeben, so dass jede Gruppe 26 mit einer Viertel-Drehung oder einer Drehung der Magnetspur 14 und des sich drehenden Targets 22 um 90° zusammenfällt. Das Logikmodul 62 ist daher in der Lage, eine Rechteckwelle ähnlich dem ”U”-Ausgang der 5 zu erzeugen, die einen Wert von ”1” für zwei aufeinanderfolgende Polpaargruppen 26 und einen Wert von ”0” für die folgenden zwei aufeinanderfolgenden Polpaargruppen 26 hat. Das Logikmodul 62 kann dann eine zweite Rechteckwelle ähnlich dem ”V”-Ausgang der 5 erzeugen, die um 120° phasenverschoben zu dem ”U”-Ausgang ist, sowie eine dritte Rechteckwelle ähnlich dem ”W”-Ausgang der 5, die um 240° phasenverschoben zu dem ”U”-Ausgang ist. Unter Verwendung des oben genannten Beispiels des bürstenlosen Gleichstrom-Elektromotors können die von dem Logikmodul 62 erzeugten Rechteckwellen in die Motorsteuerung eingegeben werden, die, in einer ähnlichen Art und Weise wie oben beschrieben, diese Information dazu verwenden würde, die Stromrichtung durch den Anker umzuschalten, um zu bewirken, dass sich der Anker kontinuierlich in Bezug auf die Feldkomponente des Motors dreht.
Der Kodierer 10 kann auch dazu verwendet werden, die absolute Position der Magnetspur 14 und des daran angebrachten rotierenden Targets 22 über eine vollständige Umdrehung zu ermitteln, wenn die einzige Gruppe 26 der Polpaare 18a bis 18d sich über eine vollständige Umdrehung des rotierenden Targets 22 erstreckt. In dieser Situation gibt die berechnete Zählimpulsposition nicht nur die lokale absolute Position innerhalb der Gruppe 26 der vier Polpaare 18a bis 18d an, sondern sie gibt auch die absolute Position der Magnetspur 14 über eine vollständige Umdrehung des rotierenden Targets 22 an. Der Kodierer 10 kann außerdem einen Drehmelder in einigen bürstenlosen Gleichstrom/Wechselstrom-Elektromotoranwendungen ersetzen.
Unter Bezugnahme auf 6 wird eine andere Ausführungsform einer Sensoranordnung oder eines magnetischen Kodierers 66 schematisch dargestellt, wobei gleiche Komponenten gleiche Bezugsziffern haben. Der Kodierer 66 weist eine Magnetspur 70 auf, die an einem rotierenden Target 74 angebracht ist, wobei fünf der in 1 gezeigten Gruppen 26 der Polpaare 18a bis 18d vorgesehen sind, die Ende an Ende und kreisförmig angeordnet sind. Der Kodierer 66 weist außerdem einen hoch-auflösenden Sensor 50 und einen Referenzsensor 54 auf einem einzigen Mikrochip 58 sowie ein Logikmodul 62 in Verbindung mit den Sensoren 50, 54 auf. Der Kodierer 66 weist darüber hinaus eine zugeordnete Magnetspur 78 mit einem einzigen Polpaar auf, die an dem sich drehenden Target 74 angebracht ist, sowie drei Hall-Effekt-Sensoren 82a bis 82c, die in Intervallen von 120° mit Abstand voneinander um die Rotationsachse der Spuren 70, 78 angeordnet sind. Jeder der Sensoren 82a bis 82c wird ”ein” und ”aus” geschaltet, indem die Polverbindungen zwischen den einzelnen Polpaaren der Spur 70 erfasst werden. Als solches wird jeder Sensor 82a bis 82c für eine Drehung der Magnetspur 70 um 180° ”ein” geschaltet, und jeder Sensor 82a bis 82c wird für eine Drehung der Magnetspur 70 um 180° ”aus” geschaltet, wodurch Signale ausgegeben werden, die den in 5 gezeigten Kommutierungssignalen ähnlich sind. Als solches sind die drei Hall-Effekt-Sensoren 82a bis 82c in der Lage, sechs verschiedene Fenster oder Rotationspositionen zu ermitteln, die jeweils einen Teil der Magnetspur 70 enthalten.
Im Betrieb des Kodierers 66 können der Ausgang der gesonderten Hall-Effekt-Sensoren 82a bis 82c, des hoch-auflösenden Sensors 50 und des Referenzsensors 54 dazu verwendet werden, die absolute Position der Magnetspur 70 über eine vollständige Umdrehung des rotierenden Targets 74 zu ermitteln (das heißt die absolute Position ”Voll-ein”). Die Magnetspur 70 umfasst eine Auflösung oder eine Gesamtzahl an Zählimpulspositionen gleich 3200 (das heißt 5 Gruppen × 4 Polpaare/Gruppe × 160 Zählimpulse/Polpaar) als Ergebnis der Aneinanderreihung der fünf Polpaargruppen 26. Zu einem gegebenen Zeitpunkt zeichnet oder nimmt das Logikmodul 62 eine relative Zählimpulsposition oder einen Zählimpulswert an dem hoch-auflösenden Teil der Magnetspur 70 auf, wobei der hochauflösende Sensor 50 verwendet wird. Der aufgenommene Zählimpulswert wird dann dazu verwendet, die absolute Position innerhalb einer der lokalen Polpaargruppen 26 zu berechnen, wobei der oben beschriebene Vorgang verwendet wird. Zur gleichen Zeit wird der Zählimpulswert aufgenommen, der den hoch-auflösenden Sensor 50 verwendet, wobei das Logikmodul 62 den bestimmten Logikzustand der Hall-Effekt-Sensoren 82a bis 82c aufnimmt (das heißt, den Logikzustand, der einer der Positionen 1 bis 6 in Tabelle 2 entspricht). Das Logikmodul 62 kann dann die aufgenommene Positionsnummer oder das Fenster mit der bestimmten Polpaargruppe 26 korrelieren, die den von dem hoch-auflösenden Sensor 50 aufgenommenen Zählimpulswert enthält, um eine relative Position der bestimmten Polpaargruppe 26 innerhalb der Magnetspur 70 zu ermitteln. In der Kenntnis, welche der fünf Gruppen 26 den von dem hoch-auflösenden Sensor 50 aufgenommenen Zählimpulswert enthält, kann das Logikmodul 62 dann die absolute Positionszahl auf der Magnetspur 70 berechnen, indem die berechnete lokale absolute Position innerhalb der bestimmten Polpaargruppe 26 und die relative Position der bestimmten Gruppe 26 innerhalb der Magnetspur 70 verwendet werden. Wenn das Logikmodul 62 beispielsweise errechnet, dass die lokale absolute Position auf der Spur 70 gleich 400 ist (von den insgesamt 640 Zählimpulspositionen in jeder Gruppe 26), und das Logikmodul 62 die ermittelte Positionszahl (das heißt eine der Positionen 1 bis 6) mit der vierten Gruppe 26 der Polpaare korreliert hat, kann die absolute Position der Magnetspur 70 wie folgt berechnet werden: 3 Gruppen nach links von dem Referenzsensor 54 × 640 Zählimpulse/Gruppe + 400 Zählimpulse = 2320, was eine der insgesamt 3200 Zählimpulspositionen auf der Magnetspur 70 ist.
Unter Bezugnahme auf 7 wird noch eine andere Ausführungsform einer Sensoranordnung oder eines magnetischen Kodierers 86 schematisch dargestellt, wobei gleiche Komponenten gleiche Bezugszeichen haben. Der Kodierer 86 weist eine Magnetspur 90 mit mehreren Nord/Süd-Polpaaren 94a bis 94i auf. Obwohl die Magnetspur 90 aus Gründen der Klarheit schematisch in einer linearen Anordnung dargestellt ist, ist der Kodierer 86 als Rotationskodierer konfiguriert, der ein sich drehendes Target 98 aufweist, an dem die Magnetspur 90 angebracht ist. In einer derartigen Konfiguration wäre die Magnetspur 90 kreisförmig und konzentrisch mit der Drehachse des rotierenden Targets 98. Der Kodierer 86 der vorliegenden Erfindung kann alternativ jedoch als ein linearer Kodierer konfiguriert sein, der im Wesentlichen eine ähnliche Struktur und ein Betriebsverfahren aufweist, wie sie hier in Bezug auf den Rotationskodierer 86 beschrieben sind.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 7 ist nur ein Teil der Magnetspur 90 dargestellt. Insbesondere weist der dargestellte Teil der Magnetspur 90 eine Gruppe 100 von neun Polpaaren 94a bis 94i auf, von denen jedes eine Polverbindung 102 aufweist, die die einzelnen Nord/Süd-Pole in den betreffenden Polpaaren 94a bis 94i trennt. Jede der Polverbindungen 102 ist unterteilt in einen hoch-auflösenden Abschnitt 106, der einem hoch-auflösenden Teil 110 der Magnetspur 90 entspricht, und einen Referenzabschnitt 114a bis 114c, der einem Referenzteil 118 der Magnetspur 90 entspricht. Anders als bei der in 1 dargestellten Magnetspur 14 sind jedoch einige der Polverbindungen 102 in der Magnetspur 90 gerade, so dass der Referenzabschnitt 114a in jeder der geraden Polverbindungen 102 mit dem hoch-auflösenden Abschnitt 106 der gleichen Polverbindung 102 ausgerichtet ist, während andere Polverbindungen 102 in der Magnetspur 90 versetzt oder gestuft sind, so dass der Referenzabschnitt 114b, 114c in jeder der versetzten Polverbindungen 102 von dem hoch-auflösenden Abschnitt 106 der gleichen Polverbindung 102 versetzt ist. Die hoch-auflösenden Abschnitte 106 benachbarter Polverbindungen 102 sind in gleichem Maße mit Abstand voneinander angeordnet, während die Referenzabschnitte 114a bis 114c benachbarter Polverbindungen 102 ungleichmäßig beabstandet sein können, in Abhängigkeit von der Richtung des Versatzes (oder einem Fehlen eines Versatzes) der benachbarten Referenzabschnitte 114a bis 114c.
Unter Bezugnahme auf 7 weisen einige der Polverbindungen 102 einen Referenzabschnitt 114b auf, der nach rechts von dem hoch-auflösenden Abschnitt 106 der gleichen Polverbindung 102 versetzt ist (das heißt, ein Rechts-Versatz-Referenzabschnitt 114b), wobei einige Polverbindungen 102 einen Referenzabschnitt 114c aufweisen, der nach links von dem hoch-auflösenden Abschnitt 106 der gleichen Polverbindung 102 versetzt ist (das heißt, ein Links-Versatz-Referenzabschnitt 114c), während andere Polverbindungen 102 gerade sind und einen Referenzabschnitt 114a aufweisen, der mit dem hoch-auflösenden Abschnitt 106 der gleichen Polverbindung 102 ausgerichtet ist (das heißt, ein Null-Versatz-Referenzabschnitt 114a). Die Referenzabschnitte 114a bis 114c können innerhalb der Gruppe 100 benachbarter Magnetpolpaare 94a bis 94i angeordnet sein, um eine eindeutige Kombination oder Abfolge von Zuständen (zum Beispiel entweder Rechts-Versatz, Links-Versatz oder Null-Versatz) für jedes Polpaar 94a bis 94i in der Gruppe 100 zu schaffen. Als Ergebnis kann ein bestimmtes Polpaar 94a bis 94i identifiziert werden, indem es mit seiner zugeordneten eindeutigen Kombination benachbarter Referenzabschnitte 114a bis 114c abgeglichen wird. Unter Verwendung dieser ”Drei-Zustands”-Logik (das heißt, unter Verwendung der Null-Versatz-, Rechts-Versatz- und Links-Versatz-Referenzabschnitte 114a bis 114c) können die in 7 dargestellten neun benachbarten Polpaare 94a bis 94i eindeutig gemäß Tabelle 3 unten identifiziert werden, in der ”0” einen Null-Versatz-Referenzabschnitt 114a bezeichnet, ”R” einen Rechts-Versatz-Referenzabschnitt 114b bezeichnet und ”L” einen Links-Versatz-Referenzabschnitt 114c bezeichnet.

Polverbindungen Polpaare

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Nord/Süd 0 0 0 L L L R R R

Süd/Nord 0 L R 0 L R 0 L R

Tabelle 3
Die Nord/Süd-Polverbindung ist die Polverbindung 102 zwischen den Nord- und Südpolen innerhalb eines bestimmten Polpaars 94a bis 94i, während die Süd/Nord-Polverbindung die Polverbindung 102 zwischen dem Südpol und dem Nordpol benachbarter Polpaare 94a bis 94i ist. Wie es detaillierter unten beschrieben wird, ist der magnetische Kodierer 86 dafür betriebsfähig, die absolute Position der Magnetspur 90 lokal innerhalb der Gruppe 100 von neun magnetischen Polpaaren 94a bis 94i zu ermitteln, indem die eindeutige Kombination benachbarter Null-Versatz-, Rechts-Versatz- und Links-Versatz-Referenzabschnitte 114a bis 114c erkannt wird, die die einzelnen Pole in den Polpaaren 94a bis 941 trennen.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 7 weist der magnetische Kodierer 86 außerdem einen ersten oder hochauflösenden magnetischen Sensor 50 in der Nähe des hochauflösenden Teils 110 der Spur 90 auf, einen zweiten magnetischen Sensor 54 in der Nähe des Referenzteils 118 der Spur 90, sowie ein Logikmodul 62 in Verbindung mit den Sensoren 50, 54. Wie es unten detaillierter diskutiert wird, ist das Logikmodul 62 dafür betriebsfähig, von den Sensoren 50, 54 aufgenommene hoch-auflösende bzw. Referenzsignale zu empfangen, die Signale zu analysieren und die lokale absolute Position der Magnetspur 90 innerhalb der Gruppe 100 der neun Polpaare 94a bis 94i, und somit die lokale absolute Position des rotierenden Targets 98, zu einer anderen Steuerungseinrichtung (zum Beispiel eine Motorsteuerung) in dem System zu berechnen, in dem der Kodierer 86 verwendet wird.
Der Fachmann versteht, dass der hoch-auflösende Sensor 50 mit einer bestimmten Auflösung (das heißt ”Zählimpulsen” oder ”Flanken” pro Polpaar) konfiguriert sein kann, um eine Gesamtzahl an Zählimpulsen oder Flanken pro Umdrehung der Magnetspur 90 zu ergeben. Beispielsweise kann der hochauflösende Sensor 50 so konfiguriert sein, dass er eine Auflösung von 160 Zählimpulsen pro Polpaar hat, so dass insgesamt 1440 Zählimpulse erfasst werden können, wenn sich die Magnetspur 90 über die in 7 gezeigte Gruppe 100 der neun Polpaare 94a bis 94i dreht. Wie vorher erwähnt wurde, ist jedoch nur ein Teil der Magnetspur 90 in 7 dargestellt. Eine typische Anwendung des Kodierers 86 könnte mehr als neun Polpaare 94a bis 94i auf der Magnetspur 90 erfordern. In dieser Situation würde die in 7 gezeigte Gruppe 100 der neun Polpaare 94a bis 94i zwei Mal oder mehrmals um die Umfangslänge der Magnetspur 90 herum wiederholt werden, um die erforderliche Anzahl an Polpaaren zu ergeben. Als solches kann die absolute Position der Magnetspur 90 lokal innerhalb einer teilweisen Drehung des rotierenden Targets 98 ermittelt werden, an dem die Magnetspur 90 angebracht ist (das heißt, eine Halb-Drehung, eine Drittel-Drehung, eine Viertel-Drehung, usw.), wobei die eindeutige Kombination der in 7 gezeigten und in Tabelle 3 beschriebenen benachbarten Null-Versatz-, Rechts-Versatz- und Links-Versatz-Referenzabschnitte 114a bis 114c verwendet wird.
Während des Betriebs des Kodierers 86 wird der im allgemeinen sinusförmige Ausgang jedes der Sensoren 50, 54 in das Logikmodul 62 eingegeben, das den sinusförmigen Ausgang jedes der Sensoren 50, 54 vergleicht und feststellt, ob die Phase des sinusförmigen Ausgangs des Referenzsensors 54 den sinusförmigen Ausgang des hoch-auflösenden Sensors 50 führt, dem sinusförmigen Ausgang des hoch-auflösenden Sensors 50 nachläuft oder in Phase mit dem sinusförmigen Ausgang des hoch-auflösenden Sensors 50 ist. Das Logikmodul 62 kann den sinusförmigen Ausgang der einzelnen Hall-Elemente des Referenzsensors 54 mit dem sinusförmigen Ausgang der einzelnen Hall-Elemente des hoch-auflösenden Sensors 50 vergleichen. Alternativ kann das Logikmodul 62 einen analogen oder digitalen gleitenden Mittelwert des Ausgangs einer Gruppe (zum Beispiel vier) von Hall-Elementen des Referenzsensors 54 mit dem gleitenden Mittelwert des Ausgangs einer Gruppe von Hall-Elementen des hoch-auflösenden Sensors 50 vergleichen. Die Gruppen der Hall-Elemente in jedem der Sensoren 50, 54 können aufeinanderfolgende oder benachbarte Hall-Elemente in jedem der Sensoren 50, 54 umfassen. Alternativ können die Gruppen der Hall-Elemente in jedem der Sensoren 50, 54 nicht aufeinanderfolgende oder nicht benachbarte Hall-Elemente in jedem der Sensoren 50, 54 umfassen.
Mit anderen Worten ist das Logikmodul 62 derart betriebsfähig, dass es ermittelt, ob der Referenzsensor 54 in der Nähe eines Links-Versatz-Referenzabschnitts 114c angeordnet ist (das heißt wenn der sinusförmige Ausgang des Referenzsensors 54 den sinusförmigen Ausgang des hoch-auflösenden Sensors 50 führt), ob der Referenzsensor 54 in der Nähe eines Rechts-Versatz-Referenzabschnitts 114b angeordnet ist (das heißt wenn der sinusförmige Ausgang des Referenzsensors 54 dem sinusförmigen Ausgang des hoch-auflösenden Sensors 50 nachläuft), oder ob der Referenzsensor 54 in der Nähe eines Null-Versatz-Referenzabschnitts 114a angeordnet ist (das heißt wenn der sinusförmige Ausgang des Referenzsensors 54 in Phase mit dem sinusförmigen Ausgang des hoch-auflösenden Sensors 50 ist). Da sich der Referenzsensor 54 über den Abstand zwischen mindestens einer Nord/Süd-Polverbindung 102 und mindestens einer benachbarten Süd/Nord-Polverbindung 102 auf der Magnetspur 90 erstreckt, ist das Logikmodul 62 derart betriebsfähig, dass es die bestimmte Kombination der Nord/Süd- und Süd/Nord-Polverbindungen 102, die von dem Referenzsensor 54 erfasst werden, mit einem der magnetischen Polpaare 94a bis 94i in der in 7 gezeigten Gruppe 100 der neun Polpaare 94a bis 94i korreliert. Es sollte sich verstehen, dass der Kodierer 86 auf diese Weise betriebsfähig ist, wenn sich die Magnetspur 90 relativ zu dem Referenzsensor 54 dreht oder stationär ist.
Unter weiterer Bezugnahme auf 7 ist die Magnetspur 90 in eine Position gedreht dargestellt, in der sich der Referenzsensor 54 über die Nord/Süd-Polverbindung 102 des fünften Polpaars 94e und die Süd/Nord-Polverbindung 102 zwischen den fünften und sechsten Polpaaren 94e, 94f erstreckt. In diesem Fall wäre das Logikmodul 62 in der Lage, die absolute Position der Magnetspur 90 lokal innerhalb der Gruppe 100 der neun Polpaare 94a bis 94i zu ermitteln, indem der der Nord/Süd-Polverbindung 102 des fünften Polpaars 94e zugeordnete Links-Versatz-Referenzabschnitt 114c und der der Süd/Nord-Polverbindung 102 zwischen den fünften und sechsten Polpaaren 94e, 94f zugeordnete Links-Versatz-Referenzabschnitt 114c erkannt werden, indem die Phasendifferenz der sinusförmigen Ausgänge des Referenzsensors 54 und des hoch-auflösenden Sensors 50 verglichen wird, wie es oben beschrieben wurde. Das Logikmodul 62 würde dann auf eine Nachschlagetabelle ähnlich der Tabelle 3 Bezug nehmen, um festzustellen, dass nur das fünfte Polpaar 94e die ermittelte Kombination der Links-Versatz- und Links-Versatz-Referenzabschnitte 114c aufweist, was bedeutet, dass sich vier vollständige Polpaare (das heißt die Polpaare 94a bis 94d) links von dem Referenzsensor 54 befinden und der Referenzsensor 54 in der Nähe oder ausgerichtet mit dem fünften Polpaar 94e angeordnet ist. Das Logikmodul 62 würde dann die folgende Berechnung durchführen, um die lokale absolute Position der Magnetspur 90 innerhalb der Gruppe 100 der neun Polpaare 94a bis 94i zu ermitteln: 4 Polpaare nach links von dem Referenzsensor 54 × 160 Zählimpulse/Polpaar + die Anzahl der von dem hoch-auflösenden Sensor 50 erfassten Zählimpulse. In einem Fall, in dem der aufgenommene Zählimpulswert des hoch-auflösenden Sensors 50 beispielsweise gleich 70 ist, wäre der berechnete Zählimpulswert gleich 710 (das heißt, 4 × 160 + 70), was mit der 710ten Position der insgesamt 1440 Zählimpulspositionen korreliert, die innerhalb der lokalen Gruppe 100 der neun magnetischen Polpaare 94a bis 94i von dem Sensor 50 erfasst werden können.
Bei Betrachtung eines weiteren Beispiels unter Bezugnahme auf 8 ist die Magnetspur 90 in eine Position gedreht dargestellt, in der sich der Referenzsensor 54 über die Süd/Nord-Polverbindung 102 zwischen dem siebten Polpaar 94g und dem achten Polpaar 94h und die Nord/Süd-Polverbindung 102 innerhalb des achten Polpaars 94h erstreckt. In diesem Fall wäre das Logikmodul 62 in der Lage, die absolute Position der Magnetspur 90 innerhalb der lokalen Gruppe 100 der neun Polpaare 94a bis 94i zu ermitteln, indem der der Süd/Nord-Polverbindung 102 zwischen dem siebten und dem achten Polpaar 94g, 94h zugeordnete Null-Versatz-Referenzabschnitt 114a und der der Nord/Süd-Polverbindung 102 innerhalb des achten Polpaars 94h zugeordnete Rechts-Versatz-Referenzabschnitt 114b erkannt werden, indem die Phasendifferenz der sinusförmigen Ausgänge des Referenzsensors 54 und des hochauflösenden Sensors 50 verglichen werden, wie es oben beschrieben wurde. Das Logikmodul 62 würde dann auf eine der Tabelle 3 ähnliche Nachschlagetabelle Bezug nehmen, um festzustellen, dass die ermittelte Kombination der Null-Versatz- und Rechts-Versatz-Referenzabschnitte 114a, 114b den Referenzsensor 54 irgendwo zwischen den siebten und achten Polpaaren 94g, 94h anordnet. Das Logikmodul 62 würde dann auf den von dem hoch-auflösenden Sensor 50 aufgenommenen Zählimpulswert blicken. Wenn der aufgenommene Zählimpulswert zwischen 81 und 160 liegt, befindet sich die lokale absolute Position irgendwo innerhalb des siebten Polpaars 94g. Wenn der aufgenommene Zählimpulswert jedoch zwischen 1 und 80 liegt, befindet sich die lokale absolute Position irgendwo innerhalb des achten Polpaars 94h. Für einen aufgenommenen Zählimpulswert des hoch-auflösenden Sensors 50 gleich 30 würde das Logikmodul 62 die folgende Berechnung durchführen, um die absolute Position innerhalb der lokalen Gruppe 100 der neun Polpaare 94a bis 94i zu ermitteln: 7 Polpaare nach links von dem Referenzsensor 54 × 160 Zählimpulse/Polpaar + 30 = 1150, was mit der 1150ten Position der insgesamt 1440 Zählimpulspositionen korreliert, die von dem Sensor 50 innerhalb der lokalen Gruppe 100 der neun magnetischen Polpaare 94a bis 94i erfasst werden können. Für einen aufgenommenen Zählimpulswert des hoch-auflösenden Sensors 50 gleich 130 würde das Logikmodul 62 die folgende Berechnung durchführen, um die absolute Position innerhalb der lokalen Gruppe 100 der neun Polpaare 94a bis 94i zu ermitteln: 6 Polpaare nach links von dem Referenzsensor 54 × 160 Zählimpulse/Polpaar + 130 = 1090, was mit der 1090ten Position der insgesamt 1440 Zählimpulspositionen korreliert, die von dem Sensor 50 innerhalb der lokalen Gruppe 100 der neun magnetischen Polpaare 94a bis 94i erfasst werden können.
Der Kodierer 86 der 7 kann dazu verwendet werden, U-, V-, W-Kommutierungssignale in einer ähnlichen Art und Weise wie der Kodierer 10 der 1 zu erzeugen. Der Kodierer 86 kann außerdem dazu verwendet werden, die absolute Position der Magnetspur 90 über eine vollständige Umdrehung des rotierenden Targets 98 zu ermitteln, wenn sich die einzige Gruppe 100 der neun Polpaare 94a bis 94i über eine vollständige Umdrehung des rotierenden Targets 98 erstreckt. In dieser Situation gibt die berechnete Zählimpulsposition nicht nur die lokale absolute Position innerhalb der Gruppe 100 der neun Polpaare 94a bis 94i an, sondern sie gibt auch die absolute Position der Magnetspur 90 über eine vollständige Umdrehung des rotierenden Targets 98 an.
Alternativ kann der Kodierer 86 eine Magnetspur aufweisen (nicht dargestellt), die an einem sich drehenden Target angebracht ist, wobei fünf der in 7 gezeigten Gruppen 100 der Polpaare 94a bis 94i vorgesehen sind, die Ende an Ende und kreisförmig angeordnet sind. Der Kodierer 86 kann außerdem eine zugeordnete Magnetspur mit einem einzigen Polpaar aufweisen, die an dem sich drehenden Target angebracht ist, sowie drei Hall-Effekt-Sensoren, die in Intervallen von 120° mit Abstand voneinander um die Rotationsachse der Spuren in einer ähnlichen Art und Weise angeordnet sind, wie bei dem Kodierer 66 der 6. Der Ausgang der gesonderten Hall-Effekt-Sensoren, des hoch-auflösenden Sensors 50 sowie des Referenzsensors 54 kann dafür verwendet werden, die absolute Position der Magnetspur über eine vollständige Umdrehung des sich drehenden Targets in einer ähnlichen Art und Weise zu ermitteln, wie bei dem Kodierer 66 der 6. Als ein Ergebnis der Aneinanderreihung der fünf Polpaargruppen 100 würde die Magnetspur eine Auflösung oder eine gesamte Anzahl an Zählimpulspositionen gleich 7200 aufweisen (das heißt, 5 Gruppen × 9 Polpaare/Gruppe × 160 Zählimpulse/Polpaar).
Unter Bezugnahme auf 9 kann eine andere Ausführungsform einer Sensoranordnung oder eines magnetischen Kodierers 122 der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer ”Vier-Zustands”-Logik konfiguriert sein, wodurch die Anzahl der Polpaare in jeder Gruppe auf 16 erhöht wird, so dass zusätzliche Hall-Effekt-Sensoren (zum Beispiel Sensoren 82a bis 82c in 6) und eine gesonderte Magnetspur 78 mit einem einzigen Polpaar (zum Beispiel die Spur in 6) nicht erforderlich sind, um die absolute Position einer Magnetspur zu ermitteln, die insgesamt 16 Polpaare hat. 9 zeigt einen Teil einer Magnetspur 126 des Kodierers 122, die Rechts-Versatz-Referenzabschnitte 130 aufweist, die um eine Größe D von einem hoch-auflösenden Abschnitt 134 in der gleichen Polverbindung 138 beabstandet sind, sowie Rechts-Versatz-Referenzabschnitte 142, die um eine Größe D/2 von dem hochauflösenden Abschnitt 134 in der gleichen Polverbindung 138 beabstandet sind. In einer ähnlichen Art und Weise weist die Spur 126 Links-Versatz-Referenzabschnitte 146 auf, die um eine Größe D von dem hoch-auflösenden Abschnitt 134 in der gleichen Polverbindung 138 beabstandet sind, sowie Links-Versatz-Referenzabschnitte 150, die um eine Größe D/2 von dem hoch-auflösenden Abschnitt 134 in der gleichen Polverbindung 138 beabstandet sind. Das Logikmodul 62 kann daher, so konfiguriert sein, dass es die Differenz zwischen den Referenzabschnitten 130, 142, 146, 150 erkennt, die den Abstand D und D/2 haben, um die Anzahl der Polpaare in der lokalen Gruppe von 9 auf 25 zu erhöhen. Der Kodierer 122 könnte alternativ unter Verwendung einer ”Fünf-Zustands”-Logik konfiguriert sein, indem eine gerade Polverbindung zusätzlich zu den in 9 dargestellten Versatz-Polverbindungen vorgesehen wird, wodurch die Anzahl der Polpaare in jeder Gruppe auf 25 erhöht wird.
Verschiedene Merkmale der Erfindung sind in den nachfolgenden Patentansprüchen dargestellt.

Claims

Sensoranordnung mit folgenden Merkmalen: – einer Magnetspur mit mehreren magnetischen Polen, die durch mehrere Polverbindungen voneinander getrennt sind; einem ersten magnetischen Sensor, der in der Nähe eines hoch-auflösenden Teils der Magnetspur angeordnet ist; und – einem zweiten magnetischen Sensor, der in der Nähe eines Referenzteils der Magnetspur angeordnet ist, wobei sich der zweite magnetische Sensor über benachbarte Polverbindungen auf der Magnetspur erstreckt; – wobei jede der benachbarten Polverbindungen einen hochauflösenden Abschnitt aufweist, der dem hoch-auflösenden Teil der Magnetspur entspricht, sowie einen Referenzabschnitt, der dem Referenzteil der Magnetspur entspricht, und wobei der Referenzabschnitt jeder Polverbindung entweder versetzt zu oder ausgerichtet mit dem entsprechenden hoch-auflösenden Abschnitt in jeder Polverbindung angeordnet ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei mindestens einer der ersten und zweiten magnetischen Sensoren ein von einem Mikrochip getragener multiplizierender Hall-Reihen-Sensor ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 2, wobei die ersten und zweiten magnetischen Sensoren als multiplizierende Hall-Reihen-Sensoren konfiguriert sind, die von dem gleichen Mikrochip getragen werden.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei jeder der ersten und zweiten magnetischen Sensoren eine Anordnung aus mindestens vier Hall-Fühlerelementen aufweist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei der Referenzabschnitt einer der benachbarten Polverbindungen in einer ersten Richtung von dem hoch-auflösenden Abschnitt der gleichen Polverbindung versetzt ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 5, wobei der Referenzabschnitt der anderen der benachbarten Polverbindungen in der ersten Richtung von dem hoch-auflösenden Abschnitt der gleichen Polverbindung versetzt ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 5, wobei der Referenzabschnitt der anderen der benachbarten Polverbindungen in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung von dem hoch-auflösenden Abschnitt der gleichen Polverbindung versetzt ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 5, wobei der Referenzabschnitt der anderen der benachbarten Polverbindungen mit dem hoch-auflösenden Abschnitt der gleichen Polverbindung ausgerichtet ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei der Referenzabschnitt einer der benachbarten Polverbindungen um einen ersten Betrag in einer ersten Richtung von dem hoch-auflösenden Abschnitt der gleichen Polverbindung versetzt ist, und wobei der Referenzabschnitt der anderen der benachbarten Polverbindungen um einen zweiten Betrag, der sich von dem ersten Betrag unterscheidet, in der ersten Richtung von dem hochauflösenden Abschnitt der gleichen Polverbindung versetzt ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei sie des Weiteren ein Logikmodul in Verbindung mit den ersten und zweiten magnetischen Sensoren aufweist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei die mehreren magnetischen Pole und Polverbindungen mindestens vier magnetische Polpaare definieren, und wobei der Referenzabschnitt jeder Polverbindung auf der Magnetspur von dem hoch-auflösenden Abschnitt der gleichen Polverbindung versetzt ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei die mehreren magnetischen Pole und Polverbindungen mindestens neun magnetische Polpaare definieren, wobei der Referenzabschnitt mindestens einer Polverbindung auf der Magnetspur in einer ersten Richtung von dem hoch-auflösenden Abschnitt der gleichen Polverbindung versetzt ist, wobei der Referenzabschnitt mindestens einer Polverbindung auf der Magnetspur in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung von dem hochauflösenden Abschnitt der gleichen Polverbindung versetzt ist, und wobei der Referenzabschnitt mindestens einer Polverbindung auf der Magnetspur mit dem hoch-auflösenden Abschnitt der gleichen Polverbindung ausgerichtet ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei sie des Weiteren aufweist: – eine zweite Magnetspur, die ein einziges magnetisches Polpaar aufweist; und – mehrere Hall-Effekt-Sensoren, die in der Nähe der zweiten Magnetspur angeordnet sind, wobei die Hall-Effekt-Sensoren im Wesentlichen gleichmäßig mit Abstand voneinander angeordnet sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 13, wobei die mehreren magnetischen Pole und Polverbindungen mehrere Gruppen von magnetischen Polpaaren definieren, und wobei jede Polpaargruppe die gleiche eindeutige Abfolge von Polverbindungen aufweist, die die einzelnen Pole in der Polpaargruppe trennen.
Sensoranordnung nach Anspruch 14, wobei jede Polpaargruppe vier magnetische Polpaare aufweist, und wobei sich aufeinanderfolgende Paare benachbarter Polverbindungen in der Gruppe voneinander unterscheiden.
Sensoranordnung nach Anspruch 14, wobei jede Polpaargruppe neun magnetische Polpaare aufweist, und wobei sich aufeinanderfolgende Paare benachbarter Polverbindungen in der Gruppe voneinander unterscheiden.
Sensoranordnung nach Anspruch 14, wobei jede Polpaargruppe mindestens vier magnetische Polpaare aufweist, und wobei sich aufeinanderfolgende Paare benachbarter Polverbindungen in der Gruppe voneinander unterscheiden.
Verfahren zum Ermitteln einer Position auf einer Magnetspur eines Kodierers, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Vorsehen einer Gruppe magnetischer Polpaare, die einen Teil der Magnetspur bildet; – Aufzeichnen einer relativen Position innerhalb eines ersten magnetischen Polpaars in der Gruppe unter Verwendung eines ersten magnetischen Sensors in der Nähe eines hoch-auflösenden Teils der Magnetspur; – Erfassen benachbarter Polverbindungen innerhalb der Gruppe der magnetischen Polpaare mit einem zweiten magnetischen Sensor, der in der Nähe eines Referenzteils der Magnetspur angeordnet ist; – Korrelieren der benachbarten Polverbindungen mit dem ersten magnetischen Polpaar, um eine relative Position des ersten magnetischen Polpaars innerhalb der Gruppe zu ermitteln; und – Berechnen einer lokalen absoluten Position innerhalb der Gruppe unter Verwendung der relativen Position innerhalb des ersten magnetischen Polpaars sowie der relativen Position des ersten magnetischen Polpaars innerhalb der Gruppe.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Gruppe magnetischer Polpaare eine erste Gruppe ist, und wobei das Verfahren des Weiteren ein Anordnen mehrerer Polpaargruppen, die der ersten Gruppe identisch sind, Ende an Ende mit der ersten Gruppe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Magnetspur eine erste Magnetspur ist, und wobei das Verfahren des Weiteren folgende Schritte umfasst: – Vorsehen einer zweiten Magnetspur, die ein einziges magnetisches Polpaar und zwei Polverbindungen aufweist; – Erfassen der Polverbindungen unter Verwendung mehrerer Hall-Effekt-Sensoren, die im Wesentlichen gleichmäßig mit Abstand voneinander und in der Nähe der zweiten Magnetspur angeordnet sind; und – Erzeugen mehrerer Fenster unter Verwendung des Ausgangs der Hall-Effekt-Sensoren, wobei jedes Fenster einen Teil der Magnetspur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 20, mit folgenden weiteren Schritten: – Korrelieren der ersten Gruppe magnetischer Polpaare mit einem der Fenster, um eine relative Position der ersten Gruppe innerhalb der ersten Magnetspur zu ermitteln; und – Berechnen einer absoluten Position auf der ersten Magnetspur unter Verwendung der berechneten lokalen absoluten Position innerhalb der ersten Gruppe sowie der relativen Position der ersten Gruppe innerhalb der ersten Magnetspur.