DE19910411C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Offset-kompensierten Magnetfeldmessung mittels eines Hallsensors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Offset-kompensierten Magnetfeldmessung mittels eines Hallsensors. Ein Hallsensor im Sinne dieser Erfindung ist ein integriertes Bauelement, das ein Hallelement, Anschlüsse und Einrichtungen zur Stromversorgung und eine elektronische Auswerteeinheit enthält.

Aus der EP 0548 391 B1 ist ein Offsetkompensierter Hallsensor mit mindestens zwei Hallelementen bekannt. Die beiden Hallelemente sind gegeneinander um einen Winkel zwischen 0° und 180° gedreht. Hierbei wird die eine Hallplatte lediglich zur Vorkompensation der anderen Platte eingesetzt. Die eigentliche Kompensation findet erst durch die Orthogonalumschaltung und die Summierung der dabei gemessenen Hallspannungen statt. Durch die Orthogonalumschaltung tritt der Offsetfehler jeweils mit einem anderen Vorzeichen auf. Bei der Summierung müßte sich der Offsetfehler vollständig kompensieren. Dies gilt jedoch nur im Idealfall, wenn das Hallelement bezüglich einer Orthogonalumschaltung symmetrisch ist. Dies ist in der Regel nicht der Fall. Insbesondere bei preiswerten Hallelementen mit relativ hohen Fertigungstoleranzen kann der Offset durch Orthogonalumschaltung nicht vollständig kompensiert werden.

Aus der DE 43 02 342 A1 ist ein Verfahren zur Offsetkompensation von Hallelementen bekannt, bei dem zur Verbesserung der Offsetkompensation bei der Orthogonalitätsumschaltung die Einführung von Wichtungsfaktoren vorgeschlagen wird. Die Wichtungsfaktoren werden u. a. eingeführt, um Unsymmetrieeinflüsse bei der Orthogonalumschaltung auszugleichen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes und trotzdem exaktes Verfahren zur Offset kompensierten Magnetfeldmessung sowie einen Offset kompensierten Hallsensor zur Magnetfeldmessung anzugeben, das bzw. der ohne ein Umschalten der Hallabgriffe auskommt, und den Einsatz von preiswerten Hallelementen mit relativ hohen Fertigungstoleranzen zur hochgenauen offsetkompensierten Magnetfeldmessung ermöglicht.

Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 3 gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Hallsensor aus dem Stand der Technik

Fig. 2 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Hallsensor, wie er in Chipbauweise oder auf einer Platine integriert werden kann.

Fig. 3 zeigt schematisch eine besonders bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform des Hallsensors mit vereinfachter Auswerteeinheit.

In Fig. 1 ist zur Erläuterung ein ansich bekanntes Hallelement schematisch dargestellt. Das Hallelement wird mit einem Versorgungsstrom I_V betrieben. An den Hallspannungsabgriffen fällt bis auf Geometriefaktoren die Hallspannung U_H an. Es gilt:

U_H = R_H . B . I_V 1)

Hierbei ist RH die sogenannte Hallkonstante und B die magnetische Flußdichte. Bei realen Sensoren kommen eventuell noch Geometriefaktoren hinzu. Außerdem bezeichnet man bei

U_H = G . R_H . I_V . B 2)

Sensoren die Ausgangsspannung als Signal und man spricht von der Empfindlichkeit des Sensors.

Setzt man einen möglichen Geometriefaktor G in Gleichung 1) ein, so erhält man die Empfindlichkeit E des Sensors zu

E = G . R_H . I_V 3)

Das heißt die Empfindlichkeit des Sensors läßt sich durch die Variation des Versorgungsstroms I_V verändern. Für das Ausgangssignal des Hallsensors gilt dann mit U_H = S:

S = E . B 4)

Die Erfindung besteht nun darin, die Empfindlichkeit des Sensors gezielt zu verändern und die Variation der Empfindlichkeit für die Offset-Kompensation nutzbar zu machen. Hierzu wird zum Zeitpunkt T1 der Sensor mit dem Versorgungsstrom I_V1 gespeist, so daß er gemäß Gleichung 3) die Empfindlichkeit E1 hat und das Meßsignal S1 liefert. Zu einem anderen Zeitpunkt T2 wird der Sensor mit einem Versorgungsstrom I_V2 betrieben, so daß er gemäß Gleichung 3) die Empfindlichkeit E2 hat und das Meßsignal S2 liefert.

Da sich die Empfindlichkeitsänderung nicht auf den Offset (O) auswirkt, wird bei Veränderung der Empfindlichkeit nur der magnetfeldabhängige Signalanteil des Sensors verändert.

Somit ergibt sich für das Ausgangssignal S1 zum Zeitpunkt T1 und S2 zum Zeitpunkt T2:

S1 = E1 . B + O 5)

S2 = E2 . B + O ⇒ B = (S2 - O)/E2 6)

Sofern sich die magnetische Flußdichte (B), dem das Hallelement ausgesetzt ist, vom Zeit­ punkt T1 bis zum Zeitpunkt T2 nicht ändert, insbesondere zum Zeitpunkt T1 den gleichen Wert wie zum Zeitpunkt T2 hat, lässt sich hieraus der Offset O des Sensors bestimmen. Durch Einsetzen erhält man für den Offset des Sensors

Durch Kalibrierung des Hallsensors in seinen beiden Betriebszuständen bestimmt man die beiden Empfindlichkeiten E1 und E2. Sind die beiden Empfindlichkeiten einmal bekannt, kann der Offset des Hallsensors nach Gleichung 7) in einer Auswerteeinheit bestimmt und gespeichert werden. Das offsetkompensierte Signal erhält man, indem man in einem weiteren Verfahrenschritt, den zuvor ermittelten Offset, vom offsetbehafteten Signal nach Gleichung

S = E . B + O 8)

abzieht, so daß man ein offsetkompensiertes Meßsignal nach Gleichung 4) erhält.

Eine besonders bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich, wenn die Versorgungsspannungen (I_V1) und (I_V2) des Hallelements derart gewählt werden, daß der Quotient E1/E2 gleich 2 ist. Der Offset (O) er­ gibt sich dann zu

O = 2S2 - S1 9)

Die Verdopplung der Empfindlichkeit des Hallsensors läßt sich durch eine Verdopplung des Versorgungstromes (I_V) erreichen. Wird der Versorgungsstrom verdoppelt, so verdoppelt sich auch die Empfindlichkeit und der Quotient E1/E2 kann auf den Wert 2 eingestellt werden. In diesem Fall vereinfachen sich die Rechenoperationen in der Auswerteeinheit erheblich. Insbesondere kann eine Division nach Gleichung 7) entfallen. Die Multiplikation von S2 mit dem Faktor zwei, kann im Binärcode des Speicherregisters für S2 durch eine einfache Schie­ beoperation in Richtung der höherwertigen Bits ersetzt werden. Als weitere Operationen ge­ mäß Gleichung 9) ist lediglich noch eine Subtraktion notwendig, so daß die Auswerteeinheit in diesem Ausführungsbeispiel mit Vorteil auf ein Speicherregister für S2, ein Speicherregi­ ster für S1, ein Speicherregister für den Offset (O), ein Addierwerk und ein Ausgaberegister vereinfacht werden kann.

Ein weiterer Vorteil der Offsetbestimmung nach Gleichung 9) ergibt sich aus der Tatsache, daß für die Offsetbestimmung des Hallsensors die Empfindlichkeit des Hallsensors nicht be­ kannt sein muß.

In Fig. 2 ist schematisch ein erfindungsgemäßer Hallsensor gezeigt, mit dem das erfindungs­ gemäße Verfahren zur Offsetbestimmung und zur Offsetkompensation mit Vorteil durchge­ führt werden kann. Vorzugsweise wird der Hallsensor zusammen mit der Auswerteeinheit als integriertes Bauelement in einer üblichen Halbleitertechnologie hergestellt.

Auf einem Chip oder einer Platine (1) ist eine Versorgungseinrichtung (2), die mit Anschlüs­ sen (3) an eine externe Energieversorgung angeschlossen wird, aufgebracht. Die Versor­ gungseinrichtung (2) enthält eine geregelte Konstantstromquelle (q) und eine Spannungsre­ gelschaltung (vq) zur internen Spannungsversorgung des gesamten integrierten Bauelements. Die Konstantstromquelle liefert den Versorgungsstrom I_V mit dem das Hallelement (4) be­ trieben wird. Der Versorgungsstrom I_V wird über einen vom Steuergerät (ST) elektronisch betätigbaren Schalter (S) entweder über den Widerstand (R1) oder den Widerstand (R2) dem Hallelement (4) zugeführt. Der Schalter (S) und die Widerstände (R1) und (R2) sind beispiel­ haft dargestellt. Der Schalter (S) und die Widerstände (R1) und (R2) können auch als um­ schaltbare Ausgangsimpendanzen in die Versorgungseinrichtung (2) integriert sind. Wenn die Konstantstromquelle (q) über den Widerstand (R1) mit dem Hallelement verbunden ist, wird das Hallelement mit dem Versorgungsstrom (I_V1) betrieben. Wenn die Konstantstromquelle (q) über den Widerstand (R2) mit dem Hallelement verbunden ist, wird das Hallelement mit dem Versorgungsstrom (I_V2) betrieben. Die Hallspannungsabgriffe werden über einen Ver­ stärker (5) einem Analog/Digitalwandler (A/D) zugeführt, der die Meßsignale des Hallele­ ments in digitaler Form einer Auswerteeinheit (AE) zuführt. Die Auswerteeinheit (AE) ist vorzugsweise als Mikroprozessor ausgebildet und enthält mindestens 3 Speicherregister und ein Rechenwerk, die über ein Steuergerät (ST) ansprechbar und steuerbar sind. Die Auswer­ teeinheit sowie das Steuergerät sind schematisch und beispielhaft gezeigt. Die Auswerteein­ heit und das Steuergerät können auch in einer Einheit integriert sein. Das Steuergerät koordi­ niert über den Schalter (S) den Betrieb des Hallelements mit den Versorgungsströmen (I_V1) und (I_V2) sowie die Meßwertaufnahme durch die Auswerteeinheit und die nachfolgende Ver­ arbeitung der Meßwerte entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Steuerung des Steuergeräts (ST) und der mit dem Steuergerät verbundenen Einheiten erfolgt vorzugsweise mit einem Softwareprogramm, dessen Algorithmus das erfindungsgemäße Verfahren zur Offsetkompensation abbildet. Das Offsetkompensierte Meßsignal wird am Ausgang (6) vor­ zugsweise in digitaler Form in einem Ausgaberegister zur Verfügung gestellt.

In einer besonders bevorzugten Ausführung des Hallsensors werden die Widerstände (R1) und (R2) derart bemessen, daß sich die Versorgungsströme (I_V1) und (I_V2), mit denen das Hallelement abwechselnd betrieben wird, um den Faktor 2 unterscheiden. In dieser besonders bevorzugten Ausführung des Hallsensors kann die Offsetbestimmung nach Gleichung 9) er­ folgen, was den Vorteil hat, daß die Auswerteeinheit auf drei Speicherregister, ein Ausgabe­ register und ein Addierwerk bzw. Subtraktionswerk beschränkt werden kann. Dies ermöglicht besonders kleine und kompakte Hallsensoren.

In Fig. 3 ist für die besonders bevorzugte Ausführungsform des Offsetkompensationverfah­ rens und des besonders bevorzugten Hallsensors ein Ablaufschema erläutert, das den verein­ fachten Verfahrensablauf und den vereinfachten Aufbau der Auswerteeinheit (AE) zeigt. Eine schematisch gezeigte umschaltbare Konstantstromquelle (q) versorgt das Hallelement mit zwei verschiedenen Versorgungsströmen (I_V1) und (I_V2), wobei (I_V1) doppelt so groß ist als (I_V2). Die Hallspannung des Hallelements (4) wird über einen Verstärker (5) einem Ana­ log/Digital Wandler (A/D) zugeführt, dessen digitalisiertes Signal der Auswerteeinheit (AE) eingespeist wird. Ein Steuergerät (ST) steuert das Umschalten der Konstantstromquelle sowie die Registerhaltung und Meßwertverarbeitung in der Auswerteeinheit. Wenn das Hallelement mit dem Versorgungsstrom (I_V1) betrieben wird, wird das Meßsignal (S1) in das Register (RS1) geschrieben. Wenn am Hallelement der Versorgungsstrom (I_V2) anliegt wird das zuge­ hörige Meßsignal (S2) in das Register (RS2) geschrieben und um eine Binärstelle in Richtung der höherwertigen Bits verschoben, so daß der Speicherinhalt des Registers (RS2) verdoppelt wird. Sodann wird im Subtraktionswerk (Sb) der Inhalt des Registers (RS1) vom Register (RS2) abgezogen, was einer Subtraktion nach Gleichung 9) entspricht, und das Ergebnis in das Offset-Register eingespeichert. Das offsetkompensierte Ausgangssignal erhält man schließlich indem vom Speicherinhalt des Register (RS1) der Offset aus dem Offset-Register subtrahiert wird und im Ausgaberegister eingelesen wird.

Ist der Offset des Hallelements einmal mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt, kann auf ein Umschalten der Konstantstromquelle für den weiteren Betrieb des Hallsensors weitgehend verzichtet werden. Nachdem der Offset z. B. beim Einschalten des Hallsensors bestimmt wurde und abgespeichert wurde, wird der Hallsensor vorzugsweise nur noch mit einem Versorgungsstrom betrieben. Von dem zugehörigen Meßsignal wird der zuvor gespei­ cherte Offset abgezogen, so daß man aus dem Meßsignal ohne Umschalten des Hallelementes oder des Versorgungsstromes unmittelbar ein offsetbereinigtes Signal erhält. Dies verkürzt mit Vorteil den Meßzyklus im Vergleich zu herkömmlichen Hallsensoren aus dem Stand der Technik, da nach der Offsetbestimmung ein Umschalten des Hallelements solange unterblei­ ben kann, wie sich die äußeren Betriebsbedingungen des Hallsensor nicht wesentlich ändern. Eine neue Bestimmung des Offset kann jederzeit auch während des Betriebes des Hallsensors vorgenommen werden. Eine neue Bestimmung des Offset kann insbesondere dann notwendig werden, wenn der Hallsensor großen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist. Große Tempe­ raturschwankungen können den Offset eines Sensors beeinflussen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Offset kompensierten Magnetfeldmessung mittels eines Hallsensors, der in einem Magnetfeld mit mindestens zwei verschiedenen Empfindlichkeiten (E1, E2) betrieben wird und ein Meßsignal liefert, das einen durch den Halleffekt hervorgerufenen Signalanteil und einen Offset-Signalanteil aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß zunächst in einem ersten Verfahrensschritt zu einer ersten Zeit (T1) der Hallsensor mit einer ersten Empfindlichkeit (E1) betrieben wird und ein erstes Meßsignal (S1) gewonnen wird, das in eine Auswerteeinheit (AE) eingespeist wird,
daß in einem zweiten Verfahrensschritt die Empfindlichkeit des Hallsensors auf eine zweite Empfindlichkeit (E2) varriert wird,
daß in einem dritten Verfahrensschritt zu einer zweiten Zeit (T2) der Hallsensor mit der zweiten Empfindlichkeit (E2) betrieben wird und ein zweites Meßsignal (S2) gewonnen wird, das in eine Auswerteeinheit (AE) eingespeist wird,
daß in einem vierten Verfahrensschritt in der Auswerteeinheit (AE) der Offset (O) des Hallsensors entsprechend der Gleichung
O = ((E1 /E2) . S2 - S1)/((E1/E2) - 1)
bestimmt wird,
daß in einem fünften Verfahrensschritt der Offset (O) von mindestens einem der Meßsignale (S1, S2) in der Auswerteeinheit abgezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis E1/E2 aus der ersten Empfindlichkeit (E1) und der zweiten Empfindlichkeit (E2) gleich 2 gewählt wird.

3. Offset kompensierter Hallsensor zur Magnetfeldmessung mit einer Versorgungseinrichtung (2), die eine Konstantstromquelle (q) und eine Spannungsregelschaltung (vq) zur internen Energieversorgung des Sensors enthält, einem Hallelement (4), dessen Hallabgriff mit einem Verstärker (5) verbunden ist, einem Analog-Digital-Wandler (A/D), der das analoge Ausgangssignal des Verstärkers (5) digitalisiert, einer Auswerteeinheit (AE), in der die digitalisierten Meßwerte des Hallelements (4) verarbeitet werden und einem Steuergerät (ST), das die Auswerteeinheit (AE) und die Versorgung des Hallelements (4) mit dem Versorgungsstrom (I_V) steuert, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (ST) zu einem ersten Zeitpunkt (T1) den Hallsensor (4) mit einem Versorgungsstrom (I_V1) beaufschlagt zur Einstellung einer ersten Empfindlichkeit (E1), und daß das Steuergerät (ST) zu einem weiteren Zeitpunkt (T2) den Hallsensor (4) mit einem Versorgungsstrom (I_V2) beaufschlagt zur Einstellung einer zweiten Empfindlichkeit (E2).

4. Hallsensor nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Versorgungsstrom (I_V) auf mindestens zwei verschiedene Versorgungsströme (I_V1, I_V2) umschaltbar ist.

5. Hallsensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Versorgungsstrom (I_V) durch einen Schalter (S) auf mindestens zwei verschiedene Widerstände (R1, R2) umschaltbar ist.

6. Hallsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, das der Schalter (S) und die Widerstände (R1, R2) in der Konstantstromquelle (q) integriert sind.

7. Hallsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Versorgungsströme (I_V1, I_V2) um den Faktor 2 unterscheiden.

8. Hallsensor nach einem der Ansprüche 3-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (AE) aus einem Register (RS2), einem Register (RS1), einem Offset- Register, einem Ausgaberegister und einem Subtraktionswerk (Sb) besteht.