DE19818799C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Winkeln - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Drehwinkeln einer Drehachse mit magnetischem Maßstab und dem Maßstab zugeordneter Sensoreinheit gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.

Die WO 89/11 080 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Abstandes zweier gegeneinander beweglicher Teile. Mittels zweier Sensoren werden zwei Spuren abgetastet, die je ein sinusförmiges Signalpaar erzeugen mit einer jederzeit definierten Phasenlage. Der Relativabstand ergibt sich dann als Differenz der beiden Phasenlagen. Bei der WO 89/11 080 A1 müssen mindestens zwei Signalpaare aufgenommen werden, es sind also mindestens vier Sensoren zur Bestimmung der relativen Phasenlage der sinusförmigen Signale notwendig.

Eine gattungsbildende Vorrichtung zur Messung von Drehwinkeln ist aus der DE 44 40 214 C2 bekannt. Ein magnetischer Maßstab mit zwei auf einer drehbaren Achse koaxial angeordneten magnetische kodierten Ringen wird von einer zugeordneten Sensoreinheit bestehend aus 4 Hallsensoren abgelesen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren unterscheiden sich von den bisher bekannten Systemen durch die Kombination aus magnetoresistiven Sensoren und Hallsensoren sowie durch eine Verringerung der notwendigen Sensoren auf drei Stück. Magnetoresistive Sensoren weisen gegenüber Hallsensoren eine verbesserte Empfindlichkeit auf, haben jedoch den Nachteil die Richtung und damit das Vorzeichen des Magnetfeldes nicht erkennen zu können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren vereinen die Vorteile beider Sensorarten und sorgen zudem für eine Reduzierung der notwendigen Sensoren. Die Reduzierung der Sensoranzahl ermöglicht die Herstellung kostengünstiger Systeme und sorgt außerdem für eine Reduzierung möglicher Fehlerquellen, was insbesondere in sicherheitsrelevanten Systemen wie z. B. Automobilen von großer Bedeutung ist.

Im Hinblick auf neue Konzepte mit sogen. x-by-wire-Einrichtungen bei Fahrzeugen und anderen mobilen Systemen, bei denen mechanische Übertragungsmittel z. B. zum Lenken und/oder Abbremsen weitgehend durch elektronische Module ersetzt werden, steigt zunehmend die Anforderung an die Genauigkeit der Positionsbestimmung der zu steuernden Komponenten. Wesentlich ist die Kenntnis der Absolutposition. So ist z. B. bei Lenkstangen eines Fahrzeugs die Kenntnis von Drehwinkeln von 0° bis über 360° gefordert. Zwar ist die Erfassung von Absolutwinkeln mit herkömmlichen Sensoren, z. B. induktive Sensoren, Potentiomenter-Sensoren oder optische Sensoren mit Graycode möglich, jedoch ist die Auflösung solcher Sensoren zu gering und für den Einsatz bei x-by-wire-Systemen nicht geeignet. Magnetoresistive Winkelsensoren sind empfindlicher in der Winkelauflösung, sie sind jedoch aus prinzipiellen Gründen nur zur Erfassung von Absolutwinkeln von weniger als 180° geeignet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung von Drehwinkeln anzugeben, die die Vorteile von magnetoresistiven Sensoren und Hallsensoren vereint und somit bei gleichzeitiger Reduzierung der Sensorenanzahl zu einer verbesserten Winkelauflösung gelangen.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterführende und vorteilhafte Ausgestaltungen sind den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.

Die Erfindung geht von einer Vorrichtung zum Messen von Winkeln aus, wobei die Vor­ richtung ein Winkelsensorsystem mit einem magnetischen Maßstab und einer Sensoreinheit umfaßt und die Sensoreinrichtung mindestens einen magnetoresistiven Sensor aufweist. Die Erfindung besteht darin, daß die Vorrichtung als magnetischen Maßstab mindestens zwei koaxiale, magnetisch kodierte Ringe auf einer drehbaren Achse aufweist. Die Anzahl der Magnetpole auf dem halben Umfang jedes der Ringe ist teilerfremd. Die Sensoreinheit weist zwei magnetoresistive Sensoren auf, die im gesättigten Zustand betrieben sind. Erfindungs­ gemäß ist zusätzlich ein Hallsensor vorgesehen, der einem kodierten Ring zugeordnet ist, der eine ungerade Anzahl von Polen auf dem halben Umfang des Rings aufweist.

In einer bevorzugten Ausführung sind die Ringe konzentrisch, bezogen auf die drehbare Achse in radialer Richtung benachbart, angeordnet. Der Vorteil ist, daß die beiden Ringe nur eine minimale Bauhöhe benötigen, so daß die Achsenlänge gering sein kann. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Anordnung gegen Vibrationen der Achse unempfindlich ist, da sich der Abstand zwischen Sensor und Ring wesentlich geringer ändert als bei axial versetzten und mit der Achse fest verbundenen Ringen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung sind die Ringe bezogen auf die drehbare Achse in axialer Richtung benachbart angeordnet. Vorzugsweise sind die Ringe mit der Achse fest verbunden. Der Vorteil ist, daß diese Anordnung mechanisch sehr robust ist.

Zweckmäßig ist, daß ein Ring einteilig ausgebildet ist. Der Vorteil ist eine einfache und siche­ re Montage auf der Achse. Eine weitere zweckmäßige Anordnung ist, einen Ring aus mehre­ ren Ringsegmenten zusammenzusetzen. Der Vorteil ist, daß eine nachträgliche Montage eines erfindungsgemäßen Winkelsensorsystems auf einer Achse möglich ist. Vorteilhafter­ weise sind die Ringsegmente übereinander bzw. axial versetzt angeordnet und können sich vorzugsweise in Umfangsrichtung überlappen.

In einer günstigen Ausbildung des erfindungsgemäßen Winkelsensoranordnung ist ein ma­ gnetoresistiver Sensor und ein Hallsensor getrennt voneinander einzeln an einem magnetisch kodierten Ring angeordnet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung sind ein magnetoresistiver Sensor und ein Hall­ sensor in einem einzigen Bauelement vereint. Bevorzugt ist das Bauelement ein mikroelek­ tronisches Bauelement, besonders bevorzugt ist das Bauelement ein monolithisch integrier­ tes Bauelement, welches einen integrierten magnetoresitiven Sensor und einen integrierten Hallsensor aufweist.

In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Bestimmen von Winkeln wird der Phasenversatz zwischen den Ausgangssignalen zweier magnetoresi­ stiver Sensoren bestimmt und mit dem Vorzeichen des Ausgangssignals eines Hallsensors verknüpft. Damit lassen sich Drehwinkel absolut zwischen 0 und 360° mit hoher Genauig­ keit und hoher Auflösung bestimmen.

Im folgenden sind die Merkmale, soweit sie für die Erfindung wesentlich sind, eingehend erläutert und anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung mit Winkelsensoren und koaxialen Ringen,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Anordnung mit konzentrischen Ringen,

Fig. 3 eine Detaildarstellung von erfindungsgemäßen Winkelsensoren und

Fig. 4 Signal-Winkelzusammenhänge einer Winkelsensoranordnung gemäß der Erfindung.

Ein Winkelsensorsystem gemäß der Erfindung ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Auf ei­ ner Achse 3, z. B. einem Lenkrad in einem Kraftfahrzeug, sind axial benachbart zueinander ein erster Ring 1 und ein zweiter Ring 2 koaxial angeordnet. Jedem Ring 1, 2 ist radial be­ nachbart ein magnetoresistiver Sensor S1 bzw. S2 zugeordnet. Magnetoresistive Sensoren weisen hierbei eine vorteilhafte hohe Auflösung von besser als 0,05° bis hinunter zu 0,01° auf und sind daher für diese hochauflösenden Winkelmessungen geeignet. Ein weiterer Sen­ sor S3 ist einem der Ringe 1, 2 zugeordnet. Dies ist schematisch in der Figur dargestellt.

Die beiden Ringe 1, 2 bilden den magnetischen Maßstab des erfindungsgemäßen Winkel­ sensorsystems und sind magnetisch codiert, so daß am Umfang jedes Ringes 1, 2 umlaufend Nordpole und Südpole abwechselnd aneinandergereiht sind. Die magnetische Kodierung ist nicht detailiert in der Figur abgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Magnetmaß­ stab 1, 2 nicht gehäust, sondern auf der Außenseite der Achse 3 angeordnet. Vorteilhaft ist, daß der Abstand zwischen Maßstab und Sensor hier minimal ist. Es ist auch möglich, den Magnetmaßstab im Innern eines nichtmagnetischen Rohres, vorzugsweise aus einem austenitischen Stahl mit sehr hohem Stickstoffgehalt, anzuordnen. Der Vorteil ist, daß der Maßstab vor Verschmutzung, Korrosion und Verschleiß geschützt ist. Ein Rohr aus dem bevorzugten Material hat den besonderen Vorteil, daß das Material sehr fest und stabil ist und bearbeitet werden kann, insbesondere umgeformt und/oder poliert, ohne magnetische Martensitanteile zu bilden.

Eine weitere vorteilhafte Anordnung der Ringe 1, 2 und Sensoren S1, S2 ist in Fig. 2 darge­ stellt. Ein weiterer Sensor S3 ist nicht gesondert abgebildet. Die beiden koaxialen Ringe 1, 2 sind konzentrisch in einer Ebene senkrecht zu einer Achse 3 angeordnet. Bevorzugt sind die Ringe 1, 2 mit einem Träger verbunden, der mit der Achse 3 fest verbunden ist. Der Träger kann sehr dünn sein, so daß die Einbauhöhe der gesamten Anordnung gering ist. Die den Ringen zugeordneten Sensoren S1 und S2 detektieren das magnetische Signal des jeweiligen Ringes 1, 2. Bei einer etwaigen Vibration der Achse 3 bewegen sich die Ringe zwar relativ zu den Sensoren in radialer Richtung senkrecht zur Achse 3, jedoch ändert sich der Abstand zwischen Ringen und Sensoren kaum. Daher wird das Meßsignal nur geringfügig durch eine Abstandsänderung beeinflußt. Dies ist vorteilhaft für den Einsatz im Fahrzeug, bei der Lenkbewegungen mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung detektiert werden sollen, da im Fahrbetrieb Vibrationen etwa der Lenkspindel nicht vermeidbar sind.

Am Umfang jedes Ringes 1, 2 sind umlaufend Nordpole und Südpole abwechselnd aneinan­ dergereiht. Dies ist in Fig. 3 dargestellt. Der Übersichtlichkeit wegen sind in der Figur die beiden Magnetmaßstabsringe 1, 2 nicht übereinander, sondern nebeneinanderliegend ge­ zeichnet. Die einzelnen Pole weisen die Pollänge P auf, bevorzugt ist die Pollänge P für alle Pole gleich. Die Zahl der Pole eines Halbkreises ist im ersten Ring 1 n1 und im zweiten Ring 2 n2. Die Gesamtzahl der Magnetpole in jedem Ring ist 2 . n1 bzw. 2 . n2. Jeder Ring 1, 2 wird von einem magnetoresistiven Sensorelement S1, S2 abgetastet, dessen Ausgangs­ signal mit der abgetasteten Kodierung korreliert ist. Die Sensorelemente sind dazu mit übli­ chen Meßbrücken ausgestattet, die nicht dargestellt sind.

Jeder magnetoresistive Sensor S1, S2 wird im gesättigten Zustand betrieben, d. h. die lokale magnetische Feldstärke am Sensor S ist groß genug, damit der Sensor S gesättigt ist. Vor­ zugsweise werden die magnetischen Kodierungen mit einer entsprechenden Feldstärke ver­ sehen. Typische Sättigungsfeldstärken für magnetoresisitve Sensoren liegen z. B. oberhalb von etwa 10-20 mT. Besonders günstig ist, den Abstand zwischen Magnetmaßstab 1, 2 und Sensor S1, S2 so gering zu wählen, daß eine möglichst hohe Feldstärke am Ort des Sensors erreicht ist, insbesondere oberhalb der Sättigungsfeldstärke, jedoch das Sensor-Signal noch weitgehend sinus- bzw. cosinusförmig ist. Bei zu geringem Abstand verzerrt das Signal und weicht stark von der zur Auswertung vorteilhaften Sinus- bzw. Cosinusform ab, während die magnetische Feldstärke vorteilhaft zunimmt. Bei zu großen Abstand nähert sich die Signal­ form zwar besser der Sinus- bzw. Cosinusform an, aber die magnetische Feldstärke nimmt ab und ist schließlich zu gering, um einen magnetoresistiven Sensor auszusteuern. Im ausge­ steuerten, sogen. gesättigten Zustand ist ein magnetoresistiver Sensor nicht mehr auf die Feldstärke, sondern auf den Winkel θ des Sensors, bzw. des magnetfeldempfindlichen Sen­ sorteils, zum Magnetfeld empfindlich. Dabei ruft prinzipiell ein Winkel θ zwischen Feld und Sensor dasselbe Signal hervor wie ein Winkel θ + π. Daraus folgt, daß mit magnetoresistiven Sensorelementen in dieser Anordnung eine absolute Messung des Winkels nur im Bereich von 0° bis maximal 180° möglich ist. Diese Einschränkung hat mehrere Gründe.

Der absolute Drehwinkel α im Bereich von 0° bis 180° der Achse 3 wird ermittelt aus dem Phasenversatz Δϕ [0,2π] der Sensorsignale S1 und S2. Die Zuordnung der Sensorsignale von α zu Δϕ muß deshalb eindeutig sein. Die Sensorsignale magnetoresistiver Sensoren sind periodisch mit der Pollänge P des magnetischen Maßstabs und nicht mit der Periodizität 2P des Maßstabs selbst.

Da die Anzahl der Pole eines Halbringes n ist, muß ein magnetischer Ringmaßstab immer eine gerade Anzahl Pole 2n aufweisen. Wenn für den ersten Ring 1 n = n1 und für den zwei­ ten Ring 2 n = n2 gilt, dann ist für eine halbe Drehung um 180° der Phasenversatz Δϕ [0,2π] genau dann eindeutig dem Drehwinkel α [0,180°] zuzuordnen, wenn n1 und n2 teilerfremd sind.

Was für einen Halbring gilt, kann für den Gesamtring α [0,360°] nicht gelten, da die Anzahl der Pole auf den Ringen den gemeinsamen Teiler 2 haben. Dies führt zur Einschränkung der absoluten Messung des Drehwinkel mit in der Sättigung betriebenen magnetoresistiven Sen­ soren auf Winkel zwischen 0° und 180°.

Erfindungsgemäß läßt sich der Bereich der absoluten Winkelmessung vom Intervall von [0,π] auf [0,2π] erweitern, wenn mindestens ein weiteres Sensorelement S3 vorgesehen ist, wobei das weitere Sensorelement S3 im Unterschied zu einem magnetoresistiven Sensor S1, S2 die Feldrichtung, d. h. die Polung eines erfaßten Magnetpols, erkennen kann. Ein beson­ ders bevorzugtes Sensorelement ist ein Hallsensor. Geeignet sind auch andere Sensoren deren Ausgangssignal abhängig von der Polung eines erfaßten Magnetpols ist.

Da die Anzahl der Pole n1, n2 in jedem Halbring der Ringe 1, 2 teilerfremd sein müssen, können insbesondere n1 und n2 nicht beide geradzahlig sein, sondern entweder ist n1 gerade und n2 ungerade oder n2 ist gerade und n1 ungerade oder beide, n1 und n2, sind ungerade. In Fig. 3 ist in jeden der beiden Ringe 1, 2 eine Achse A eingezeichnet, die die Verhältnisse im Ring verdeutlichen soll, wenn die Achse 3 um 180° gedreht ist. Ist bei 0° ein Magnetpol, z. B. ein Südpol, einem Sensor S1, S2 zugeordnet, so ist bei gerader Polzahl im Halbkreis nach einer Drehung der Achse um 180° ein gleichsinniger Magnetpol (Südpol), bei ungera­ der Polzahl im Halbkreis ein ungleichsinniger Magnetpol (Nordpol) am Sensor S1, S2.

Der Hallsensor 53 ist an einem Ring zu installieren, welcher eine ungeradzahlige Anzahl von Polen im Halbring aufweist. Im Beispiel in Fig. 3 ist dies Ring 2. In diesem Fall ergibt sich bei 180° Drehung eine Umkehrung der Feldrichtung der magnetischen Kodierung am Ort des Hallsensors, die das die beiden Halbkreise von 0°-180° und von 180° bis 360° unter­ scheidende Signal liefert. Wird der Drehwinkel α = 180° überschritten, d. h. der erste Halb­ kreis ist abgetastet, ist jeder weitere Winkelwert bis 360° als dem zweiten Halbkreis zugehö­ rig erkennbar. Insbesondere unterscheidet sich das Ausgangssignal des Hallsensors 3 im Vorzeichen. Der Absolutwert des Hallsignals ist zur Auswertung nicht notwendig.

Erfindungsgemäß wird aus dem Ausgangssignal des ersten und zweiten magnetoresistiven Sensors S1, S2 der Phasenversatz Δϕ bestimmt. Gleichzeitig wird das Vorzeichen des Aus­ gangssignals des Hallsensors bestimmt. Das Vorzeichen des Ausgangssignals des Hallsen­ sors S3 ist z. B. positiv, wenn die Achse 3 in 0°-Stellung ist. Der Hallsensor steht z. B. einem Südpol gegenüber, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Wenn die Achse 3 gedreht wird, ändert sich das Vorzeichen des Hallsignals, sobald ein Nordpol erfaßt wird. Wird die Achse 3 weiterge­ dreht, ändert sich das Vorzeichen wieder, wenn der Hallsensor S3 den nächsten Südpol er­ faßt. Nach einer Drehung um 180° kommt bei Ring 1, der im Halbkreis eine ungerade Polzahl mit n1 = 3 aufweist, der dem Angangszustand bei 0° entgegengesetzte Nordpol vor dem Hallsensor S3 zu liegen. Da die Polzahl im Ring bekannt ist, kann aus der Abfolge der Vorzeichenwechsel des Hallsignals und des Phasenversatzes Δϕ der Signale der magnetore­ sistiven Sensoren S1, S2 der jeweilige Absolutwinkel zwischen 0° und 360° eindeutig und mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.

Ein magnetoresistives Sensorelement S1 oder S2 erzeugt, wenn es über den periodisch ma­ gnetisierten Maßstab geführt wird, zwei analoge Spannungssignale U1, U2, die an einer Brückenschaltung, in der kommerziell erhältliche magnetoresistive Widerstandselemente üblicherweise geschaltet sind, entnommen werden können.

Einer Periode des Maßstabes entspricht ein nebeneinanderliegendes Paar von magnetischen Polen, einem Nord- und einem Südpol. Bei 2n Polen trägt der ringförmige Maßstab n Peri­ oden. Einer Periode entspricht dann ein Winkelbereich von Δϕ = 2π/n Grad. Die analogen Spannungssignale der Sensorelemente S1, S2 sind ebenfalls periodisch, jedoch mit der Peri­ ode π/n. Daraus folgt, daß über einem einzigen Pol des Maßstabes eine volle Signalperiode erhalten wird. Dies ist in Fig. 4 dargestellt. Die Phase des sinus- bzw. cosinusförmigen Si­ gnals der Sensoren S1, S1 ändert sich demnach von 0°-360° innerhalb einer einzigen Pollän­ ge P1, P2.

Die beiden analogen Spannungssignale U1, U2, die jeweils ein Sensorelement S1 oder S2 als Ausgangssignal liefert, weisen dieselbe Form auf, sind aber gegeneinander um π/2 ver­ schoben. Im Idealfall ist ihre Form die einer exakten Sinus- bzw. Cosinus-Kurve. Ihre reale Form hängt von der Magnetisierung des Maßstabes 1, 2 und dem Abstand des Sensorele­ mentes S1, S2 zum Maßstab 1, 2 ab. Der sinusförmige Verlauf des Signals verbessert sich mit steigendem Abstand zwischen Sensor und Maßstab. Bei der Auswertung wird von idea­ len sinus- bzw. cosinusförmigen Verläufen der Signale U1(α), U2(α) in Abhängigkeit vom Drehwinkel α ausgegangen.

Eine bevorzugte Auswertung hat den folgenden Ablauf: Die Drehachse, insbesondere ein Lenkrad eines Kraftfahrzeugs, mit dem Maßstab 1 und 2 steht an einer bestimmten Aus­ gangsposition, die durch den Winkel α im Bereich von 0 bis 180° gekennzeichnet werden kann. Dieser entspricht eine bestimmte Phase ϕ₁ des Sinus- bzw. Cosinussignals des Sensors S1. Für die Auslenkung der Drehachse gelten mit der Signalphase ϕ₁ im Winkelbereich [0,π] die Werte

α_k = ϕ₁/2n₁ + kπ/n₁ mit k = 0, 1, 2, ...., n₁ - 1

Durch die Verknüpfung mit dem Sensorsignal, insbesondere der Phase ϕ₂, des zweiten Sen­ sors S2 ergibt sich ein eindeutiger Winkelwert β für die Stellung der Drehachse im Bereich zwischen 0° und 180°.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Bestimmung der Phase aus den analogen Spannungssignalen der Sensoren S1, S2 ist im folgenden beschrieben. Die Auswertung für das zweite Senso­ relement S2 ist völlig analog zur Auswertung der Signale des ersten Sensors S1.

Die analogen Sensorsignale U1, U2 des Sensors S1 werden zuerst mit einem Analog- Digitalwandler digitalisiert. Die weitere Verarbeitung erfolgt vorzugsweise mit einem Mi­ kroprozessor. Der Bereich des Phasensignals ϕ im Intervall zwischen 0 und 360° (ϕ-Bereich [0,2π]) wird in mehrere, vorzugsweise 8, Teilsegmente zerlegt. Vorzugsweise weisen die Teilsegmente gleiche Länge auf. Jedes Teilsegment entspricht zweckmäßigerweise einer Pollänge P. Der Mikroprozessor stellt anhand des Vorzeichens der Signale U1 und durch Vergleich der Größe U1 des Signals fest, in welchem Segment man sich befindet. Abhängig davon wird die Phase ϕ durch Auswertung der Sinus- oder Kosinusfunktion in dem betref­ fenden ϕ-Segment bestimmt. Dies geschieht vorzugsweise durch Vergleich des Meßwertes mit Werten in einer abgelegten Tabelle.

Diese Tabelle umfaßt Wertepaare der Sinusfunktion im Winkelbereich [0,π/4], wobei der Winkelbereich jeweils einem Teilsegment entspricht. Sie kann für die Auswertung in allen 8 Bereichen verwendet werden, da der Kurvenverlauf, abgesehen von Vorzeichen und Rich­ tung, für alle Funktionen gleich ist. In der Fig. 4 sind das jeweils die steilen Flanken der Sinus- bzw. Cosinus-Funktionen. Eine kleine Änderung der Phase führt hier günstigerweise zu einer großen Signaländerung, so daß diese Winkelbestimmung grundsätzlich eine hohe Genauigkeit aufweist. Die weiteren Erläuterungen beziehen sich deshalb auf den ersten Be­ reich ϕ∈[0,π/4].

In der Tabelle sind die Zusammenhänge zwischen den Vorzeichen des sinus- und/oder cosi­ nusförmigen Sensorspannungssignals, dem Betrag des sinus- und/oder cosinusförmigen Sensorspannungssignals und dem Phasenbereich dargestellt.

Es werden durch Vergleich zunächst die zwei Wertepaare (ϕ_k,sinϕ_k), (ϕ_k+1,sinϕ_k+1), der Ta­ belle bestimmt, für die gilt:

sinϕ_k < sinϕ < sinϕ_k+1

Die gesuchte Phase ϕ liegt dann zwischen ϕ_k und ϕ_k+1. Durch lineare Interpolation wird 9 genauer bestimmt. Die so bestimmte Phase ϕ wird in die Formel

α_k = ϕ₁/2n₁ + kπ/n₁ k = 0,1,2, ...., n₁ - 1

eingesetzt, womit α bestimmt ist. Dabei ist noch nicht eindeutig, ob α zwischen 0 und 180° oder zwischen 180° und 360° liegt. Da jedoch bei α + 180° der Hallsensor S3 einen an­ derssinniger Magnetpol sieht als bei α, weist das Hallsignal bei α + 180° ein anderes Vor­ zeichen auf als bei α. Erfindungsgemäß wird das Ausgangssignal mit dem Vorzeichen des Hallsignals verknüpft, und der Drehwinkel α ist ein eindeutig bestimmter Winkelwert zwi­ schen 0 und 360°.

In einem Zahlenbeispiel läßt sich die hohe Auflösung der Anordnung darlegen. Typischer­ weise trägt ein Ring 2n = 30 Pole. Ein Pol entspricht also einem Winkelbereich von 360°/30 = 12°. Dieser Winkelbereich entspricht einer Signalperiode, also einer Signalphase von 360°. Dieser Bereich wird in 8 Teilsegmente geteilt. Ein solches Teilsegment entspricht dann einem Winkel von 12°/8 = 1.5°. Sind in der Tabelle 128 Wertepaare abgelegt, dann ent­ spricht der äquidistante Abstand zwischen zwei Wertepaaren einem Winkelbereich von 1.5°/128 = 0.0117°. Innerhalb dieses Bereiches kann vorzugsweise lineare interpoliert wer­ den. Die Winkelauflösung ist deutlich besser als 0,5° und zeigt, daß das erfindungsgemäße Sensorsystem für den Einsatz bei sogen. X-by-Wire-Einrichtungen geeignet ist.

In einem weiteren bevorzugten Auswerteverfahren wird das digitalisierte Sinussignal durch das digitalisierte Cosinussignal geteilt und die Phase ϕ durch den Mikroprozessor als arctan bestimmt. Auch hier wird die eindeutige Zuordnung der Phase im Polsegment innerhalb eines Halbkreises durch die Auswertung der Signale eines zweiten magnetoresistiven Sen­ sors erreicht, der einem zweiten magnetischen Maßstab zugeordnet ist. Die eindeutige Zu­ ordnung, ob das Signal einem Drehwinkel α aus dem ersten (0-180°) oder dem zweiten Halbkreis (180-360°) zuzuordnen ist, liefert das Vorzeichen der Hallspannnung des Hallsen­ sors S3.

In einem weiteren bevorzugten Auswerteverfahren wird die arcsin-Bildung durch Berech­ nung ermittelt und nicht durch Vergleich von Werten, die in einer Tabelle abgelegt sind. Auch hier wird wiederum die eindeutige Zuordnung der Phase im Polsegment innerhalb eines Halbkreises durch die Auswertung der Signale eines zweiten magnetoresistiven Sen­ sors erreicht, der einem zweiten magnetischen Maßstab zugeordnet ist, ebenso wie die ein­ deutige Zuordnung, ob das Signal aus dem ersten (0-180°) oder dem zweiten Halbkreis (180-360°) stammt, durch das Vorzeichen der Hallspannnung des Hallsensors S3 geliefert wird.

Eine zweckmäßige Anordnung der magnetoresistiven Sensoren S1, S2 und des Hallsensors S3 gemäß der Erfindung besteht darin, diese getrennt voneinander anzuordnen, wobei ein erster magnetoresistiver Sensor und ein Hallsensor einem einzigen codierten Ring mit unge­ rader Polzahl n im Halbkreis und ein zweiter magnetoresistiver Sensor einem zweiten Ring mit gerader oder ungerader Polzahl im Halbkreis zugeordnet ist. In dieser Anordnung kön­ nen kommerziell erhältliche Sensoren mit den üblichen Auswerteschaltungen einfach ver­ wendet werden.

Eine weitere bevorzugte Ausbildung eines Sensorelements ist, einen magnetoresistiver Sen­ sor und einen Hallsensor in einem Bauelement zu vereinen, besonders bevorzugt weist das Sensorelement auf einem Träger einen monolithisch integrierten Hallsensor und magnetore­ sistiven Sensor auf. In dieser Ausbildung wird vorteilhaft ausgenutzt, daß Halbleitermateria­ lien sowohl einen Halleffekt als auch magnetoresistive Eigenschaften aufweisen können. Bevorzugt lassen sich auch unterschiedliche Materialien, welche jeweils optimale magneto­ resistiven Eigenschaften und einen optimalen Hall-Effekt aufweisen, auf einem mikroelek­ tronischen Chip integrieren. Die Anordnung ist sehr kompakt und robust und weist eine ho­ he Auflösung auf.

Für die Auswertung der Sensorsignale können auch andere Auswerteverfahren eingesetzt werden, bei denen die Modulation der Ausgangssignals der magnetoresistiven Sensoren mit der Polung eines erfaßten Magnetpols geeignet verknüpft werden kann.

Die Erfindung ist vorteilhaft zur Messung absoluter Drehwinkel von 0 bis 360° einsetzbar. Die bisher bekannten Lösungen sind durch fehlende Integration mit der Mechanik, insbe­ sondere eines Kraftfahrzeugs, und ihre geringe Auflösung gekennzeichnet. Sie sind ver­ schleißanfällig und weisen ein großen Bauvolumen auf. Die erfindungsgemäße Lösung er­ laubt dagegen eine kompakte und robuste Bauweise, die gleichzeitig verschleißresistent ist und ist in Fahrzeuge integrierbar.

Eine bevorzugte Ausführung ist die Anordnung der Ringe 1, 2 des Magnetmaßstabs in ei­ nem Rohr, dessen Material der Außenwand magnetisch durchsichtig ist. Ganz besonders bevorzugt ist dabei die Verwendung eines austenitischen Stahls, der einen sehr hohen Stick­ stoffgehalt von mehr als 0,3 Gewichtsprozent aufweist, insbesondere liegt der Stickstoffge­ halt zwischen 0,3 und 1 Gewichtsprozent. Solche Stähle weisen im Gegensatz zu üblichen austenitischen Stählen den großen Vorteil auf, daß sie auch bei Verformung und Beanspru­ chung keinen Martensitanteil bilden, der unerwünschte magnetische Eigenschaften aufweist. Die bevorzugte Stahlart kann daher ohne besondere Nachbehandlung verformt und insbe­ sondere geschliffen und poliert werden und weist bleibend eine große Härte und Zähigkeit auf. Damit gelingt der Einsatz als hochbelastbares Konstruktionselement, z. B. als Lenkstan­ ge mit einem integrierten Magnetsensor, sehr einfach und zuverlässig. Der Magnetmaßstab ist vor Beschädigung und Verschmutzung weitgehend geschützt.

Claims (18)

1. Vorrichtung zum Messen von Drehwinkeln einer Drehachse mit magnetischem Maßstab und dem Maßstab zugeordneter Sensoreinheit, wobei die Vorrichtung als magnetischen Maßstab mindestens zwei, zumindest mittelbar auf einer drehbaren Achse (3) koaxial angeordnete magnetisch kodierte Ringe (1, 2) aufweist, die Anzahl der Magnetpole auf dem halben Umfang des einen Ringes (1) teilerfremd zu der Anzahl der Magnetpole auf dem halben Umfang des anderen Ringes (2) ist, die Sensoreinheit einen ersten und einen zweiten Sensor (S1, S2) aufweist, deren Ausgangssignale mit einem detektierten Magnetfeld der Ringe (1, 2) korreliert sind, und zusätzlich ein dritter Sensor (S3) vorgesehen ist, der einem Ring (1, 2) zugeordnet ist, der eine ungerade Anzahl von Polen auf dem halben Umfang aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der erste und der zweite den Ringen (1, 2) zugeordnete Sensor (S1, S2) ein magnetoresistiver Sensor ist und daß der dritte den Ringen (1, 2) zugeordnete Sensor (S3) ein Hallsensor ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Ringen (1, 2) zugeordneten magnetoresistiven Sensoren (S1, S2) im gesättigten Zustand betrieben sind.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (1, 2) bezogen auf die drehbare Achse (3) in axialer Richtung benachbart angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (1, 2) bezogen auf die drehbare Achse (3) konzentrisch angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Ring (1, 2) einteilig ausgebildet ist.

6. Vorrichtung einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Ring (1, 2) aus mehreren Ringsegmenten zusammengesetzt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringsegmente (1, 2) kreisbogenförmig sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringsegmente (1, 2) übereinander oder axial nebeneinander angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetoresistiver Sensor (S1) und ein Hallsensor (S3) getrennt voneinander einzeln einem magnetisch kodierten Ring (1) zugeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetoresistiver Sensor (S1) und ein Hallsensor (S3) in einem Bauelement vereint sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement ein mikroelektronisches Bauelement ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement ein monolithisch integriertes Bauelement ist, welches einen integrierten magnetoresitiven Sensor (S1) und einen integrierten Hallsensor (S3) aufweist.

13. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Sensor (S1, S2) einem magnetisch kodierten Ring (1, 2) eines Magnetmaßstabs zugeordnet wird, daß ein erster Ring (1), dessen Anzahl der Magnetpole auf dem halben Umfang teilerfremd zu der Anzahl der Magnetpole auf dem halben Umfang eines zweiten Ringes (2) ist, von dem dem ersten Ring (1) zugeordneten Sensor (S1) abgetastet wird und der zweite Ring (2) von dem dem zweiten Ring (2) zugeordneten Sensor (S2) abgetastet wird und magnetische Feldsignale der Ringe (1, 2) detektiert werden, daß ausgangsseitige Sensorspannungssignale (U1, U2) der Sensoren (S1, S2) digitalisiert werden, daß aus den Sensorspannungssignalen (U1, U2) ein Phasenwert (ϕ) und ein Phasenversatz (Δϕ) bestimmt wird, daß aus dem Phasenversatz (Δϕ) und den Absolutwerten der Sensorspannungssignale (U1, U2) ein Ausgangswert bestimmt wird, und daß dieser Ausgangswert mit einem Vorzeichen eines Ausgangssignals eines dritten Sensors (S3) zu einem vorzeichenbehafteten Ausgangswert verknüpft wird und dem vorzeichenbehafteten Ausgangswert ein Winkelwert (α) zwischen 0° und 360° zugewiesen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein magnetoresistiver Sensor (S1, S2) im gesättigten Zustand betrieben wird,

15. Verfahren nach Anspruch 13, oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß vom ersten und zweiten Sensor sinus- und cosinusförmige Spannungssignale (U1, U2) ausgegeben werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß aus sinus- und cosinusförmigen Sensorspannungssignalen (U1, U2) bei jedem Phasenwert (ϕ) zwei Wertepaare (ϕ_k, sinϕ_k) gebildet werden und mit einer Tabelle verglichen werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenwert (ϕ) durch lineare Interpolation bestimmt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenwert (ϕ) durch Division von sinus- und cosinusförmigen Sensorspannungssignalen (U1, U2) bestimmt wird.