DE19818799C2 - Method and device for measuring angles - Google Patents

Method and device for measuring angles

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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.The invention relates to a method and a device for measuring angles of rotation an axis of rotation with a magnetic scale and the sensor unit assigned to the scale according to the preamble of the independent claims.

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.WO 89/11 080 A1 discloses an apparatus and a method for determining the Distance between two mutually movable parts. Using two sensors, two Scanned tracks, each generating a sinusoidal signal pair with one at any time defined phase position. The relative distance is then the difference between the two Phases. In WO 89/11 080 A1 at least two signal pairs must be recorded so there are at least four sensors for determining the relative phase position of the sinusoidal signals necessary.

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.A generic device for measuring angles of rotation is from DE 44 40 214 C2 known. A magnetic scale with two coaxial on a rotatable axis arranged magnetic coded rings is by an associated sensor unit consisting of 4 Hall sensors.

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.The device according to the invention and the method according to the invention differ from the previously known systems through the combination of magnetoresistive sensors and Hall sensors and by reducing the necessary sensors to three. Magnetoresistive sensors have an improved sensitivity compared to Hall sensors on, but have the disadvantage of the direction and thus the sign of the magnetic field not being able to recognize. The device according to the invention and the invention Processes combine the advantages of both types of sensors and also ensure a reduction the necessary sensors. The reduction in the number of sensors enables production cost-effective systems and also ensures a reduction  possible sources of error, which is particularly the case in safety-relevant systems such. B. Automobiles is of great importance.

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.With regard to new concepts with so-called x-by-wire devices for vehicles and other mobile systems in which mechanical transmission means such. B. for steering and / or braking are largely replaced by electronic modules increasingly the requirement for the accuracy of the position determination of those to be controlled Components. Knowledge of the absolute position is essential. So z. B. handlebars of a vehicle requires knowledge of angles of rotation from 0 ° to over 360 °. It is Detection of absolute angles with conventional sensors, e.g. B. inductive sensors, Potentiometer sensors or optical sensors with gray code possible, but that is The resolution of such sensors is too low and is not suitable for use with x-by-wire systems suitable. Magnetoresistive angle sensors are more sensitive to the angular resolution, they are, however, for principle reasons only for the detection of absolute angles of less suitable as 180 °.

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. The invention is therefore based on the object of a method and an apparatus for Detection of rotation angles indicate the advantages of magnetoresistive sensors and Hall sensors combined, thus reducing the number of sensors at the same time an improved angular resolution.  

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterführende und vorteilhafte Ausgestaltungen sind den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.The object is solved by the features of the independent claims. Further and advantageous embodiments are to the further claims and the description remove.

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.The invention is based on a device for measuring angles, the front direction an angle sensor system with a magnetic scale and a sensor unit comprises and the sensor device has at least one magnetoresistive sensor. The Invention is that the device as a magnetic scale at least two has coaxial, magnetically coded rings on a rotatable axis. The number of Magnetic poles on the half circumference of each of the rings is not prime. The sensor unit points two magnetoresistive sensors, which are operated in the saturated state. Invention a hall sensor is additionally provided which is assigned to a coded ring which has an odd number of poles on half the circumference of the ring.

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 a preferred embodiment, the rings are concentric with respect to the rotatable one Axis adjacent in the radial direction, arranged. The advantage is that the two rings only require a minimal overall height so that the axis length can be small. Another The advantage is that the arrangement is insensitive to vibrations of the axis, since the Distance between sensor and ring changes much less than with axially offset and rings firmly connected to the axle.

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.In a further preferred embodiment, the rings are in relation to the rotatable axis arranged axially adjacent. The rings are preferably fixed with the axis connected. The advantage is that this arrangement is mechanically very robust.

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. It is useful that a ring is formed in one piece. The advantage is simple and safe re mounting on the axis. Another convenient arrangement is a ring from several to assemble the ring segments. The advantage is that it can be retrofitted of an angle sensor system according to the invention is possible on one axis. More advantageous the ring segments are arranged one above the other or axially offset and can preferably overlap in the circumferential direction.  

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 a favorable embodiment of the angle sensor arrangement according to the invention, a ma gnetoresistive sensor and a Hall sensor separately from each other on a magnetic coded ring arranged.

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.A magnetoresistive sensor and a Hall are in a further preferred embodiment sensor combined in a single component. The component is preferably a microelek tronic component, particularly preferably the component is a monolithic integrator t component, which has an integrated magnetoresistive sensor and an integrated Hall sensor has.

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.In a method according to the invention for operating a device for determining The phase offset between the output signals of two magnetoresis is given by angles stiver sensors determined and with the sign of the output signal of a Hall sensor connected. This means that the angle of rotation can be absolutely between 0 and 360 ° with high accuracy speed and high resolution.

Im folgenden sind die Merkmale, soweit sie für die Erfindung wesentlich sind, eingehend erläutert und anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigenIn the following the features, insofar as they are essential for the invention, are detailed explained and described in more detail with reference to figures. Show it

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung mit Winkelsensoren und koaxialen Ringen, Fig. 1 shows an arrangement according to the invention with angle sensors and coaxial rings,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Anordnung mit konzentrischen Ringen, Fig. 2 shows an arrangement according to the invention with concentric rings,

Fig. 3 eine Detaildarstellung von erfindungsgemäßen Winkelsensoren und Fig. 3 is a detailed representation of angle sensors according to the invention and

Fig. 4 Signal-Winkelzusammenhänge einer Winkelsensoranordnung gemäß der Erfindung. Fig. 4 signal-angle relationships of an angle sensor arrangement according to the invention.

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. An angle sensor system according to the invention is shown schematically in FIG. 1. On egg ner axis 3 , e.g. B. a steering wheel in a motor vehicle, a first ring 1 and a second ring 2 are arranged axially adjacent to each other coaxially. Each ring 1 , 2 is radially adjacent to a magnetoresistive sensor S1 or S2 assigned. Magnetoresistive sensors have an advantageous high resolution of better than 0.05 ° down to 0.01 ° and are therefore suitable for these high-resolution angle measurements. Another sensor S3 is assigned to one of the rings 1 , 2 . This is shown schematically in the figure.

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.The two rings 1 , 2 form the magnetic scale of the angle sensor system according to the invention and are magnetically coded, so that the north poles and south poles are alternately strung together on the circumference of each ring 1 , 2 . The magnetic coding is not shown in detail in the figure. In this embodiment, the magnetic scale 1 , 2 is not housed, but is arranged on the outside of the axis 3 . It is advantageous that the distance between the scale and the sensor is minimal here. It is also possible to arrange the magnetic scale inside a non-magnetic tube, preferably made of an austenitic steel with a very high nitrogen content. The advantage is that the scale is protected from dirt, corrosion and wear. A tube made of the preferred material has the particular advantage that the material is very strong and stable and can be processed, in particular formed and / or polished, without forming magnetic martensite components.

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.Another advantageous arrangement of the rings 1 , 2 and sensors S1, S2 is shown in Fig. 2 Darge. Another sensor S3 is not shown separately. The two coaxial rings 1 , 2 are arranged concentrically in a plane perpendicular to an axis 3 . The rings 1 , 2 are preferably connected to a carrier which is fixed to the axis 3 . The carrier can be very thin, so that the installation height of the entire arrangement is low. The sensors S1 and S2 assigned to the rings detect the magnetic signal of the respective ring 1 , 2 . If the axis 3 vibrates, the rings move relative to the sensors in the radial direction perpendicular to the axis 3 , but the distance between the rings and sensors hardly changes. The measurement signal is therefore only slightly influenced by a change in distance. This is advantageous for use in the vehicle in which steering movements are to be detected with the aid of the arrangement according to the invention, since vibrations, for example of the steering spindle, cannot be avoided during driving operation.

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.At the circumference of each ring 1 , 2 north poles and south poles are alternately lined up one after the other. This is shown in FIG. 3. For the sake of clarity, the two magnetic scale rings 1 , 2 are not drawn one above the other, but next to each other in the figure. The individual poles have the pole length P, preferably the pole length P is the same for all poles. The number of poles of a semicircle is 1 n1 in the first ring and 2 n2 in the second ring. The total number of magnetic poles in each ring is 2. n1 or 2. n2. Each ring 1 , 2 is scanned by a magnetoresistive sensor element S1, S2, the output signal of which is correlated with the scanned coding. The sensor elements are equipped with usual measuring bridges, which are not shown.

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.Each magnetoresistive sensor S1, S2 is operated in the saturated state, ie the local magnetic field strength at the sensor S is large enough so that the sensor S is saturated. Before preferably the magnetic encodings are seen with a corresponding field strength. Typical saturation field strengths for magnetoresistive sensors are e.g. B. above about 10-20 mT. It is particularly favorable to choose the distance between magnetic scale 1 , 2 and sensor S1, S2 so small that the highest possible field strength is reached at the location of the sensor, in particular above the saturation field strength, but the sensor signal is still largely sinusoidal or cosine-shaped is. If the distance is too small, the signal distorts and deviates greatly from the sine or cosine shape which is advantageous for evaluation, while the magnetic field strength advantageously increases. If the distance is too large, the signal shape approaches the sine or cosine shape better, but the magnetic field strength decreases and is ultimately too low to control a magnetoresistive sensor. In the controlled, so-called. saturated state, a magnetoresistive sensor is no longer sensitive to the field strength, but to the angle θ of the sensor or the magnetic field-sensitive sensor part to the magnetic field. In principle, an angle θ between the field and the sensor produces the same signal as an angle θ + π. It follows from this that with magnetoresistive sensor elements in this arrangement an absolute measurement of the angle is only possible in the range from 0 ° to a maximum of 180 °. There are several reasons for this limitation.

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. The absolute angle of rotation α in the range from 0 ° to 180 ° of axis 3 is determined from the phase offset Δϕ [0.2π] of the sensor signals S1 and S2. The assignment of the sensor signals from α to Δϕ must therefore be clear. The sensor signals of magnetoresistive sensors are periodic with the pole length P of the magnetic scale and not with the periodicity 2 P of the scale itself.

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.Since the number of poles of a half ring is n, a magnetic ring scale must always have an even number of poles 2 n. If for the first ring 1 n = n1 and for the second ring 2 n = n2, then for a half turn by 180 ° the phase shift Δϕ [0.2π] can be clearly assigned to the angle of rotation α [0.180 °], if n1 and n2 are prime.

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°.What applies to a half ring cannot apply to the entire ring α [0.360 °], since the number of poles on the rings have the common divider 2 . This leads to the limitation of the absolute measurement of the angle of rotation with magnetoresistive sensors operated in the saturation to angles between 0 ° and 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.According to the invention, the range of the absolute angle measurement can be from the interval of Expand [0, π] to [0.2π] if at least one further sensor element S3 is provided, the further sensor element S3, in contrast to a magnetoresistive sensor S1, S2 the field direction, d. H. can recognize the polarity of a detected magnetic pole. A special the preferred sensor element is a Hall sensor. Other sensors are also suitable whose output signal is dependent on the polarity of a detected magnetic pole.

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.Since the number of poles n1, n2 in each half ring of rings 1 , 2 must be prime, n1 and n2 in particular cannot both be even numbers, but either n1 is even and n2 odd or n2 is even and n1 odd or both, n1 and n2, are odd. In Fig. 3, an axis A is drawn in each of the two rings 1 , 2 , which is intended to illustrate the situation in the ring when the axis 3 is rotated by 180 °. Is a magnetic pole at 0 °, e.g. B. a south pole is assigned to a sensor S1, S2, so if the number of poles in the semicircle is even after a rotation of the axis by 180 ° there is a magnetic pole (south pole), if the number of poles in the semicircle is not equal, there is an opposite magnetic pole (north pole) on 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.The Hall sensor 53 is to be installed on a ring which has an odd number of poles in the half ring. In the example in FIG. 3, this is ring 2 . In this case, there is a reversal of the field direction of the magnetic coding at the location of the Hall sensor at a rotation of 180 °, which provides the signal which distinguishes the two semicircles from 0 ° -180 ° and from 180 ° to 360 °. If the angle of rotation α = 180 ° is exceeded, ie the first semicircle has been scanned, any further angular value up to 360 ° can be recognized as belonging to the second semicircle. In particular, the output signal of the Hall sensor 3 differs in sign. The absolute value of the Hall signal is not necessary for evaluation.

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.According to the invention, the phase offset Δϕ is determined from the output signal of the first and second magnetoresistive sensors S1, S2. At the same time, the sign of the output signal from the Hall sensor is determined. The sign of the output signal of the Hall sensor S3 is, for. B. positive if axis 3 is in the 0 ° position. The Hall sensor is e.g. B. opposite a south pole, as shown in Fig. 3. If axis 3 is rotated, the sign of the Hall signal changes as soon as a north pole is detected. If the axis 3 continues to rotate, the sign changes again when the Hall sensor S3 detects the next south pole. After a rotation of 180 °, ring 1 , which has an odd number of poles with n1 = 3 in the semicircle, comes to lie in front of the Hall sensor S3 at the north pole opposite the initial state at 0 °. Since the number of poles in the ring is known, the respective absolute angle between 0 ° and 360 ° can be determined unambiguously and with high accuracy from the sequence of the change of sign of the Hall signal and the phase shift Δϕ of the signals of the magnetoresistive sensors S1, S2.

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.A magnetoresistive sensor element S1 or S2 generates when it is over the periodically ma gnetized scale is performed, two analog voltage signals U1, U2 connected to one Bridge circuit in which commercially available magnetoresistive resistance elements are usually switched, can be removed.

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.A period of the scale corresponds to a side-by-side pair of magnetic poles, a north and a south pole. With 2 n poles, the ring-shaped scale bears n periods. A period then corresponds to an angular range of Δϕ = 2π / n degrees. The analog voltage signals of the sensor elements S1, S2 are also periodic, but with the period π / n. It follows that a full signal period is obtained over a single pole of the scale. This is shown in FIG. 4. The phase of the sine or cosine Si gnals the sensors S1, S1 accordingly changes from 0 ° -360 ° within a single pole length 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.The two analog voltage signals U1, U2, each a sensor element S1 or S2 as the output signal, have the same form, but are mutually ver by π / 2 pushed. Ideally, their shape is that of an exact sine or cosine curve. Your real Shape depends on the magnetization of the scale 1, 2 and the distance of the sensor element mentes S1, S2 to scale 1, 2. The sinusoidal shape of the signal improves with increasing distance between sensor and scale. When evaluating, idea len sine or cosine curves of the signals U1 (α), U2 (α) depending on the Angle of rotation α assumed.

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
A preferred evaluation has the following sequence: The axis of rotation, in particular a steering wheel of a motor vehicle, with the scale 1 and 2 is at a certain starting position, which can be characterized by the angle α in the range from 0 to 180 °. This corresponds to a specific phase ϕ 1 of the sine or cosine signal of sensor S1. For the deflection of the axis of rotation, the values apply with the signal phase ϕ 1 in the angular range [0, π]

αk = ϕ1/2n1 + kπ/n1 mit k = 0, 1, 2, ...., n1 - 1α k = ϕ 1 / 2n 1 + kπ / n 1 with k = 0, 1, 2, ...., n 1 - 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°.The combination with the sensor signal, in particular the phase ϕ 2 , of the second sensor S2 results in a unique angle value β for the position of the axis of rotation in the range between 0 ° and 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.A preferred method for determining the phase from the analog voltage signals the sensors S1, S2 is described below. The evaluation for the second Senso Relement S2 is completely analogous to the evaluation of the signals from the first sensor 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.The analog sensor signals U1, U2 of sensor S1 are first Digitized digital converter. Further processing is preferably carried out with a Mi croprocessor. The range of the phase signal ϕ in the interval between 0 and 360 ° (ϕ range [0,2π]) is broken down into several, preferably 8, sub-segments. Preferably, the  Sub-segments of the same length. Each sub-segment suitably corresponds to one Pole length P. The microprocessor uses the sign of the signals U1 and through Comparison of the size U1 of the signal determines which segment you are in. Dependent of which phase ϕ is affected by evaluating the sine or cosine function in the ϕ segment determined. This is preferably done by comparing the measured value with values in a stored table.

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].This table includes pairs of values of the sine function in the angular range [0, π / 4], the angular range in each case corresponding to a sub-segment. It can be used for evaluation in all 8 areas because the curve, apart from the sign and direction, is the same for all functions. In FIG. 4, each of the steep flanks of the sine and cosine functions. A small change in the phase advantageously leads to a large signal change here, so that this angle determination is fundamentally highly accurate. The further explanations therefore relate to the first range 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. The table shows the relationships between the signs of the sine and / or cosi nus-shaped sensor voltage signal, the amount of the sine and / or cosine Sensor voltage signal and the phase range shown.  

Es werden durch Vergleich zunächst die zwei Wertepaare (ϕk,sinϕk), (ϕk+1,sinϕk+1), der Ta­ belle bestimmt, für die gilt:
By comparison, the two pairs of values (ϕ k , sinϕ k ), (ϕ k + 1 , sinϕ k + 1 ) of the table are determined, for which the following applies:

sinϕk < sinϕ < sinϕk+1 sinϕ k <sinϕ <sinϕ k + 1

Die gesuchte Phase ϕ liegt dann zwischen ϕk und ϕk+1. Durch lineare Interpolation wird 9 genauer bestimmt. Die so bestimmte Phase ϕ wird in die Formel
The searched phase ϕ then lies between ϕ k and ϕ k + 1 . Linear interpolation determines 9 more precisely. The phase ϕ thus determined is included in the formula

αk = ϕ1/2n1 + kπ/n1 k = 0,1,2, ...., n1 - 1
α k = ϕ 1 / 2n 1 + kπ / n 1 k = 0,1,2, ...., n 1 - 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°.used, with which α is determined. It is not yet clear whether α is between 0 and 180 ° or is between 180 ° and 360 °. However, because at α + 180 ° the Hall sensor S3 is on the sensible magnetic pole sees as at α, the Hall signal at α + 180 ° shows another signs as at α. According to the output signal with the sign of Hall signal linked, and the angle of rotation α is a clearly defined angle between between 0 and 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.The high resolution of the arrangement can be demonstrated in a numerical example. A ring typically carries 2 n = 30 poles. A pole therefore corresponds to an angular range of 360 ° / 30 = 12 °. This angular range corresponds to a signal period, ie a signal phase of 360 °. This area is divided into 8 sub-segments. Such a sub-segment then corresponds to an angle of 12 ° / 8 = 1.5 °. If 128 value pairs are stored in the table, then the equidistant distance between two value pairs corresponds to an angular range of 1.5 ° / 128 = 0.0117 °. Within this range, linear interpolation can preferably be carried out. The angular resolution is significantly better than 0.5 ° and shows that the sensor system according to the invention for use in so-called. X-by-wire facilities is suitable.

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 a further preferred evaluation method, the digitized sine signal is carried out the digitized cosine signal divided and the phase ϕ by the microprocessor as arctan certainly. Again, the clear assignment of the phase in the pole segment is within a semicircle by evaluating the signals of a second magnetoresistive sensor Sors reached, which is assigned to a second magnetic scale. The clear Zu order whether the signal has an angle of rotation α from the first (0-180 °) or the second Semicircle (180-360 °) can be assigned, provides the sign of the Hall voltage of the Hall 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.In a further preferred evaluation method, the arcsin formation is calculated determined and not by comparing values that are stored in a table. Again, the clear assignment of the phase in the pole segment is within a semicircle by evaluating the signals of a second magnetoresistive sensor Sors reached, which is assigned a second magnetic scale, as well as the one clear assignment whether the signal from the first (0-180 °) or the second semicircle (180-360 °) comes from the sign of the Hall voltage of Hall sensor S3 becomes.

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. An expedient arrangement of the magnetoresistive sensors S1, S2 and the Hall sensor S3 according to the invention consists in arranging them separately from one another, with a first magnetoresistive sensor and a Hall sensor a single coded ring with an un Rader number of poles n in a semicircle and a second magnetoresistive sensor a second ring is assigned with an even or odd number of poles in the semicircle. In this arrangement commercially available sensors with the usual evaluation circuits be applied.  

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.Another preferred embodiment of a sensor element is a magnetoresistive sensor to combine sensor and a Hall sensor in one component, this particularly preferably has Sensor element on a carrier a monolithically integrated Hall sensor and magnetore sistive sensor. This training takes advantage of the fact that semiconductor material lien can have both a Hall effect and magnetoresistive properties. Different materials, each of which is optimal magneto, can also be preferred have resistive properties and an optimal Hall effect on a microelek integrate tronic chip. The arrangement is very compact and robust and has a ho hey resolution.

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.Other evaluation methods can also be used to evaluate the sensor signals be in which the modulation of the output signal of the magnetoresistive sensors with the polarity of a detected magnetic pole can be suitably linked.

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.The invention can advantageously be used for measuring absolute angles of rotation from 0 to 360 °. The previously known solutions are due to a lack of integration with the mechanics special of a motor vehicle, and their low resolution marked. You are ver susceptible to wear and have a large volume. The solution according to the invention on the other hand, allows a compact and robust design that is also wear-resistant and can be integrated into vehicles.

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.A preferred embodiment is the arrangement of the rings 1 , 2 of the magnetic scale in a tube, the material of which is magnetically transparent on the outer wall. It is very particularly preferred to use an austenitic steel which has a very high nitrogen content of more than 0.3 percent by weight, in particular the nitrogen content is between 0.3 and 1 percent by weight. In contrast to conventional austenitic steels, such steels have the great advantage that they do not form a martensite component which has undesirable magnetic properties, even in the case of deformation and stress. The preferred type of steel can therefore be deformed without special aftertreatment, and in particular can be ground and polished in particular, and remains extremely hard and tough. This enables the use as a heavy-duty construction element, e.g. B. as a steering column ge with an integrated magnetic sensor, very simple and reliable. The magnetic scale is largely protected from damage and contamination.

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.1. Device for measuring angles of rotation of an axis of rotation with a magnetic scale and the sensor unit assigned to the scale, the device as a magnetic scale having at least two magnetically coded rings ( 1 , 2 ) coaxially arranged at least indirectly on a rotatable axis ( 3 ), the number the magnetic poles on half the circumference of one ring ( 1 ) is relatively prime to the number of magnetic poles on the half circumference of the other ring ( 2 ), the sensor unit has a first and a second sensor (S1, S2), the output signals of which are detected with a Magnetic field of the rings ( 1 , 2 ) are correlated, and in addition a third sensor (S3) is provided which is assigned to a ring ( 1 , 2 ) which has an odd number of poles on half the circumference, characterized in that at least the first and the second sensor (S1, S2) assigned to the rings ( 1 , 2 ) is a magnetoresistive sensor and that the third pulls the rings ( 1 , 2 ) ordered sensor (S3) is a Hall sensor. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Ringen (1, 2) zugeordneten magnetoresistiven Sensoren (S1, S2) im gesättigten Zustand betrieben sind.2. Device according to claim 1, characterized in that the rings ( 1 , 2 ) assigned magnetoresistive sensors (S1, S2) are operated in the saturated state. 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.3. Device according to one of claims 1 to 2, characterized in that the rings ( 1 , 2 ) with respect to the rotatable axis ( 3 ) are arranged adjacent in the axial direction. 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. 4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the rings ( 1 , 2 ) with respect to the rotatable axis ( 3 ) are arranged concentrically. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Ring (1, 2) einteilig ausgebildet ist.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one ring ( 1 , 2 ) is formed in one piece. 6. Vorrichtung einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Ring (1, 2) aus mehreren Ringsegmenten zusammengesetzt ist.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least one ring ( 1 , 2 ) is composed of several ring segments. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringsegmente (1, 2) kreisbogenförmig sind.7. The device according to claim 6, characterized in that the ring segments ( 1 , 2 ) are arcuate. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringsegmente (1, 2) übereinander oder axial nebeneinander angeordnet sind.8. Apparatus according to claim 6 or 7, characterized in that the ring segments ( 1 , 2 ) are arranged one above the other or axially next to one another. 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.9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that a magnetoresistive sensor (S1) and a Hall sensor (S3) separately from each other are individually assigned a magnetically coded ring ( 1 ). 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.10. The device according to one of claims 1 to 9, characterized, that a magnetoresistive sensor (S1) and a Hall sensor (S3) in one component are united. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement ein mikroelektronisches Bauelement ist.11. The device according to claim 10, characterized, that the component is a microelectronic component. 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.12. The apparatus of claim 10 or 11, characterized,  that the component is a monolithically integrated component, which one integrated magnetoresistive sensor (S1) and an integrated Hall sensor (S3) having. 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.13. A method of operating a device according to claim 1, characterized in that in each case a sensor (S1, S2) is assigned a magnetically coded ring ( 1 , 2 ) of a magnetic scale, that a first ring ( 1 ), the number of magnetic poles on half the circumference is prime to the number of magnetic poles on the half circumference of a second ring ( 2 ), from which the sensor (S1) assigned to the first ring ( 1 ) is scanned and the second ring ( 2 ) from the second ring ( 2 ) assigned sensor (S2) is scanned and magnetic field signals of the rings ( 1 , 2 ) are detected, that output-side sensor voltage signals (U1, U2) of the sensors (S1, S2) are digitized, that a phase value from the sensor voltage signals (U1, U2) (ϕ) and a phase shift (Δϕ) it is determined that an output value is determined from the phase shift (Δϕ) and the absolute values of the sensor voltage signals (U1, U2), and that this output value has a sign of an Au output signal of a third sensor (S3) is linked to a signed output value and the signed output value is assigned an angle value (α) between 0 ° and 360 °. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein magnetoresistiver Sensor (S1, S2) im gesättigten Zustand betrieben wird,14. The method according to claim 13, characterized, that at least one magnetoresistive sensor (S1, S2) operated in the saturated state becomes, 15. Verfahren nach Anspruch 13, oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß vom ersten und zweiten Sensor sinus- und cosinusförmige Spannungssignale (U1, U2) ausgegeben werden.15. The method according to claim 13, or 14, characterized, that the first and second sensors have sinusoidal and cosine voltage signals (U1, U2) are output. 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 (ϕk, sinϕk) gebildet werden und mit einer Tabelle verglichen werden.16. The method according to any one of claims 13 to 15, characterized in that two value pairs (ϕ k , sinϕ k ) are formed from sine and cosine-shaped sensor voltage signals (U1, U2) for each phase value (ϕ) and compared with a table. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenwert (ϕ) durch lineare Interpolation bestimmt wird.17. The method according to any one of claims 13 to 16, characterized, that the phase value (ϕ) is determined by linear interpolation. 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.18. The method according to any one of claims 13 to 17, characterized, that the phase value (ϕ) by dividing sine and cosine Sensor voltage signals (U1, U2) is determined.
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