DE102007052408A1

DE102007052408A1 - Verfahren zum Betreiben eines Magnetfeldsensors und zugehörige Anordnung

Info

Publication number: DE102007052408A1
Application number: DE102007052408A
Authority: DE
Inventors: Istvan Jedlicska; Roland Dr. Weiss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2007-10-31
Publication date: 2009-05-07

Abstract

Magnetfeldsensoren haben üblicherweise eine hysteresebehaftete Kennlinie, deren Änderungen bei der Messung berücksichtigt werden muss. Gemäß der Erfindung wird von einem genau definierten Punkt auf eine Anfangskurve der Hysteresekennlinie ausgegangen, wobei vom Ausgangspunkt entlang einer Anfangskurve gestartet und bei Richtungsänderung eine neue Kennlinie berechnet wird. Der errechnete Punkt auf dieser Kennlinie gilt dann als neuer Ausgangspunkt für die weitere Berechnung. Bei der zugehörigen Anordnung ist ein Rechner mit einem zugehörigen Rechneralgorithmus vorhanden, mit dem unter Verwendung eines inversen Modells für die Hysteresekurve mittels eines Digitalsignalprozessors (DSP/DSC) die Aktualisierung der Hysteresekurve berechnet wird und in einem iterativen Verfahren eine neue Kennlinie bestimmt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Magnetfeldsensors, der eine hysteresebehaftete Kennlinie aufweist. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine zugehörige Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Sensoren, die zur Messung verschiedener physikalischer Größen, wie z. B. Position, Geschwindigkeit, Drehzahl, Feld oder Strom, Magnetfeld-basierte Verfahren verwenden, sind meistens von starken Störungen beeinflusst, welche die Messgenauigkeit und dadurch die Verwendbarkeit in praktischen Anwendungen reduzieren. Solche Störungen sind hauptsächlich die Hysterese der Kennlinie, die Temperaturdrift und die unterschiedlichsten, aber fast immer vorhandenen Fremdfelder.
Magnetfeld-Sensoren auf der Basis des magnetischen Widerstandes (MR), insbesondere GMR(Giant Magnetic Resistance)-Sensoren, stellen in der Magnetfeld-basierten Positions-, Geschwindigkeits-, Drehzahl-, Feld- oder auch Stromsensorik eine Alternative zu den früher gebräuchlichen Hallsensoren dar. Insbesondere im Bereich der Positions- und Stromsensorik sind zwischenzeitlich verstärkt MR-basierte Sensoren auf dem Markt. Wesentliche Vorteile im Vergleich zu Hallsensoren liegen im einfacheren Systemaufbau, der größeren Störsicherheit und insbesondere in der Möglichkeit eines verbesserten Designs mit stark reduzierter Fremdfeldempfindlichkeit und geringerem Rauschen.
Zur Realisierung von MR-basierten Sensoren bieten sich vor allem voll integrierte Lösungen an, da die einzelnen MR-Elemente als „Back End"-Prozessschritt im Rahmen eines CMOS-Prozesses aufgebracht werden können und damit keine zusätzliche Chip-Fläche beanspruchen.
Für viele Anwendungen, vor allem in der Positions-Drehzahl- und Stromsensorik, werden jeweils vier MR-Elemente zu einer Brücke verschaltet, um eine genauere, von Temperaturschwankungen, Fremdfeldern oder dergleichen Einflüssen unabhängigere Messung zu erreichen.
Allerdings kommt es bedingt durch die Temperaturabhängigkeit der intrinsischen Materialeigenschaften bei der Hysterese solcher Sensoren vor allem bei erhöhten Temperaturen, d. h. bei etwa T > 70°C, zu teilweise erheblichen Ungenauigkeiten bei der Feldmessung. Insbesondere die in der Stromsensorik geforderte Toleranz gegenüber Überströmen etwa um den Faktor 5 bis 12 größere Ströme als der nominale Maximalwert des zu messenden Stromes, stellt ein nicht zu vernachlässigendes Problem dar. Überströme können, wenn sie gleichzeitig mit hohen Temperaturen auftreten, was durch Selbsterwärmungseffekte infolge des Überstromes, d. h. durch die ohmsche Wärme δT ~ I² im stationären Grenzfall, häufig der Fall ist, über die Eigenschaft der Hysterese zu in vielen Anwendungsfällen zu nicht mehr tolerierbaren Messfehlern führen.
Da die Auswirkung der Hysterese auf das Ausgangssignal des sensitiven Elementes oder der sensitiven Elemente zur Magnetfeld-/Strommessung stark von der Historie des magnetischen Feldes und der Temperatur am Ort des Sensors abhängig ist, kann bisher der Einfluss der Hysterese numerisch nicht berücksichtigt werden.
Die Störeinflüsse der Hysterese werden nachfolgend zusammengefasst:

– Es ergibt sich eine Mehrdeutigkeit ohne Parametrisierung,
– es liegen große Fehler um den Nullpunkt vor,
– es ergibt sich eine starke Nichtlinearität im Einmündungsbereich,
– die Abhängigkeit von der Vorgeschichte des Sensors ist nicht reproduzierbar,
– bei den jeweiligen Messwerten liegt eine Temperaturabhängigkeit vor.

In der Praxis der Magnetfeldmessung entsteht das Problem, die Einflüsse von Temperatur und Hysterese zu eliminieren, und zwar nach Möglichkeit, den Temperatur- und den Hysterese-Einfluss gleichzeitig. Aufgrund ihrer gegenseitigen Abhängigkeit können die beiden Störquellen aber nicht getrennt analysiert werden.
Vom Stand der Technik ist die Berücksichtigung des Hystereseverhaltens bei Magnetfeldern bereits untersucht worden. Hierzu wird auf die älteren, nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldungen AZ 10 2006 046 739.6 mit der Bezeichnung „Magnetfeldsensor" und AZ 10 2006 046 736.1 „Verfahren zum Betreiben eines Magnetfeldsensors und zugehöriger Magnetfeldsensor" verwiesen, in denen Maßnahmen zur Bewältigung des Hystereseproblems vorbeschrieben sind.
In der Praxis gibt es allerdings bisher nur solche MR-Sensoren mit hoher Genauigkeit, d. h. 1% Fehler bei Raumtemperatur, die bis etwa 85°C spezifiziert sind. Eine angestrebte Erhöhung der spezifizierten Maximaltemperatur auf beispielsweise 125°C, welche insbesondere bei Automotive-Anwendungen oder anderen Industrie-Anwendungen gefordert werden, – bei gleichzeitig hoher Genauigkeit – kann bei MR-Sensoren über eine so genannte „Closed Loop"-Schaltung erreicht werden. Eine solche Schaltung hat aber den Nachteil einer sehr hohen Leistungsaufnahme, z. B. 1 W bei einem Messstrom von 25 A. Davon abgesehen ist bei einem „Closed Loop"-Verfahren ohne Verwendung eines teuren Flusskonzentrators der Messbereich auf ca. 150 A begrenzt.
Ausgehend von letzterem Sachverhalt ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem das Problem der bei Magnetfeldsensoren unvermeidlichen Hysterese beherrscht werden kann. Dazu soll eine geeignete Anordnung geschaffen werden.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bezüglich des Verfahrens durch die Abfolge der Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung ist im Patentanspruch 11 angegeben. Weiterbildungen des Verfahrens und der zugehörigen Anordnung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
Wesentlicher Gegenstand der Erfindung ist ein mathematisches Verfahren zur Beherrschung des Hysterese-Verhaltens von Magnetfeldsensoren. Dabei wird von einem mathematischen Modell für eine speziell „inverse Hysterese" ausgegangen und es wird so im Einzelnen der Einfluss aller Einflussgrößen bei der Messung erfasst.
Die spezifische Modellierung der Hysterese, die eine Invertierung bei der Darstellung erlaubt, ermöglicht es, eine parametrisierbare eindeutige Zuordnung zwischen Eingang und Ausgang vorzunehmen, welche in ihrer Komplexität so niedrig angesiedelt ist, dass das gesamte System auf einer elektrische Schaltung abgebildet werden kann und stellt damit einen entscheidenden Schritt in Richtung eines numerischen Hysterese-Kompensation dar. Dabei bleiben Aufwand und Kosten vertretbar. Insbesondere die Temperatur, die einen direkten Einfluss auf das hysteretische Verhalten und damit auf das Ausgangssignal der Sensoren ausübt, wird mit dem Modell einer inversen Hysterese berücksichtigt. Dabei ist das Basis-Modell nicht sensorabhängig, so dass kleine Unterschiede oder Änderungen in den Materialien bzw. in den Sensorstrukturen über einen Initialisierungs-Parametersatz berücksichtigen werden können.
Mit der Erfindung wird also nicht etwa – wie beim Stand der Technik – das Problem des Hystereseeffektes umgangen, sondern erstmals gelöst. Während beim Stand der Technik Hallsensoren zurückgegriffen wurde, wenn hinreichende Genauigkeit erzielt werden muss oder ein aufwändiger Flusskonzentrator bereitgestellt wird, wird mit einem digitalisierbaren Verfahren der Einfluss der Hysterese herausgerechnet. Dabei wird zurückge griffen auf den bekannten Ansatz des so genannten T(x)-Modells. Die Konzeption und Anwendung dieses Modells wird im Einzelnen in der Monographie von J. Takács "Mathematics of Hysteretic Phenemona" 2003 Wiley-VCH GmbH & CO (ISBN 3-527-40 401-5), insb. Kap. 1 bis 5, Seiten 1 bis 44 beschrieben.
Das vom Stand der Technik bekannte T(x)-Modell besitzt allerdings den Nachteil einer nicht allgemein parametrisierbaren Darstellung und ist damit nicht allgemein invertierbar, weil die dort zugrunde liegende geschlossene Kurvenform nicht bijektiv ist. Beim T(x)-Modell lässt sich daher das Temperaturverhalten aufgrund des Einmündungsverhaltens der Hysteresekurve nicht hinreichend berücksichtigen.
Die Erfindung greift also das bekannte T(x)-Modell auf, vermeidet aber speziell durch die inverse Hysterese deren Fehlerquellen.
Mit der Erfindung ergibt sich als entscheidender Vorteil, dass durch die Modellierung der Hysterese der bisher unvermeidliche Messfehler deutlich gesenkt werden kann. Außerdem ist eine Linearisierung der Kennlinie nicht mehr nötig, da eine eindeutige Abbildung zwischen Eingang- und Ausgangsgrößen erreicht wird. Damit kann also zu jedem Zeitpunkt jeder Messpunkt als Eingangsgröße eindeutig ein einzelner Wert als Ausgangsgröße zugeordnet werden.
Durch die Erfindung wird der Einsatzbereich des MR-Sensors aufgrund der höheren Genauigkeit deutlich erweitert. Durch die Nutzung nichtlinearer Teile der Hysterese-Kennlinie, insbesondere bis kurz vor der Sättigung, wird der Messbereich wesentlich erhöht.
Weiterhin wird durch die Erfindung die Flexibilität des Gesamtsystems verbessert: Änderungen, wie sie beispielsweise durch Skalierung oder Translation für eine Offset-Kompensation oder auch andere applikationsspezifische Abbildungen und eventuelle spätere Verbesserungen erforderlich sind, können nun leicht über eine Software-Schnittstelle gemacht werden, ohne dass der Sensor gewechselt werden müsste.
Die Erfindung beinhaltet also ein System aus Hardware und Software, das leicht an die Randbedingungen anpassbar ist. Das dem zugehörigen Algorithmus zugrunde liegende Modell ist aber weitestgehend von der Softwarestruktur und damit vom Typ der jeweils verwendeten Sensoren unabhängig. Damit ist auch die Software weitestgehend unabhängig, wobei die erfindungsgemäße Anordnung als komplexes System in geeigneter Weise die Hardware- und Softwarestrukturen kombiniert.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen.
Es zeigen
1 eine graphische Darstellung des Spannungs-Strom-Verhaltens eines Magnetfeldsensors mit Hysterese-Eigenschaften,
2 eine invertierte Darstellung von 1 zur Darstellung einer inversen Hysteresekurve,
3 eine graphische Darstellung von invertierten messtechnischen Kennlinien zur Verdeutlichung des neuen Auswerteverfahrens mit dem inversen Hysterese-Modell,
4 einen signifikanten Ausschnitt aus 3,
5 die Hardwarestruktur einer Anordnung zur Durchführung des neuen Verfahrens und
6 das verfahrensmäßige Vorgehen anhand eines Flussdiagramms als Grundlage für ein geeignetes Software-Programms.
In 1 ist auf der Abszisse der Strom in Ampere und auf der Ordinate die Spannung in Volt aufgetragen. Es ergeben sich die bekannten Hysterese-Schleifen, bspw. entlang der Kurve 1.
Bei einer inversen Darstellung von Kurve 1 entsprechend 2 ist auf der Abszisse die Spannung in Volt und auf der Ordinate der Strom in Ampere aufgetragen, wobei sich hier ein Kurvenverlauf 2 als inverse Hysterese ergibt. Wesentlich ist, dass das Krümmungsverhalten besser modellierbar ist. Es liegen als Schnittpunkte der äußeren Äste sog. Büschelpunkte 31 und B2 vor. Ausgehend von einem Anfangspunkte AP werden drei Umkehrpunkte UP_i durchlaufen.
In 3 und 4 sind entsprechend 2 auf der Abszisse wieder die Spannung und auf der Ordinate der Strom in Ampere, der sich bei Verwendung eines Magnetfeldsensors zur Strommessung ergibt, aufgetragen. Die Kurven 3 bis 7 stellen dabei jeweils verschiedene Äste einer inversen Hystereseschleife entsprechend Kurve 2 aus 2 dar.
Beim Aufbau eines bekannten Magnetfeld-Sensors, der aus einer Brückenschaltung mit vier einzelnen MR-Sensoren besteht und die Brückenspannung als Messsignal erfasst wird, ergibt die Messung solche Kurven, die den inversen Hysteresekurven gemäß 2 entsprechen. Somit ist die Grundlage für ein inverses Hysteresemodell gegeben, auf dessen Basis ein Berechnungsprogramm zur Eliminierung von Störgrößen entwickelt werden kann. Speziell durch eine digitale Berechnung kann die Beeinflussung des Messverhaltens durch das Hystereseverhalten minimiert werden.
In den 3 und 4 sind ausgehend von der inversen Hystereseschleife entsprechend 2 Äste 3 bis 7 einer gemessenen inversen Hysteresekurve dargestellt, welche die Veränderung der Signale bei der Messung verdeutlichen. Bei Berücksichtigung eines solchen hysteretischen Verhaltens sollen nun Magnetfeldmessungen durchgeführt werden.
Um eine genaue Messung durchführen zu können, ist es notwendig, zu jedem Zeitpunkt zu wissen, auf welchem Ast der inversen Hysteresekurve sich der Messwert befindet, also entlang welchen Astes der inversen Hysteresekurve entsprechend den 3 bis 4 die Messung gerade verläuft. Dafür soll immer dann, wenn ein echter Umkehrpunkt UP der Messung durchlaufen wird, eine Vorhersage dieses Astes gemacht werden und diese neue Kurve, die dann auch eine bijektive Funktion ist, als Kennlinie für die weitere Messung verwendet werden.
Unter Berücksichtigung letzterer Vorgaben wird damit folgendes Messprinzip durchgeführt: Ausgehend von einem definierten Punkt auf der Hysteresekurve, vorteilhafterweise auf der äußeren Hystereseschleife und mit einer Anfangskurve auf der Kurve mit den weiteren äußeren Ästen, wird die Messung gestartet. Sobald die Richtung der Messung sich ändert, d. h bei einem Umkehrpunkt, wird eine neue Kennlinie, d. h. ein neuer Ast der Hysteresekurve berechnet und für die weitere Messung verwendet. Es wird dann also bei jeder neuen Richtungsumkehr der Messung eine neue Kurve der inversen Hystereseschleife ausgewählt.
Um letzteres zu erreichen, sind verschiedene Maßnahmen notwendig: Das vorstehend bereits erwähnte T(x)-Modell vereinfacht das Vorgehen dahingehend, dass statt einer hyperbolischen Funktion (tangens hyperbolicus) eine ganzrationale Funktion verwendet wird. Diese Funktion kann direkt an das inverse Modell angepasst werden, so dass eine spätere Invertierung nicht mehr notwendig ist. Für die Anpassung wird eine vorher gemessene, äußere Hystereseschleife benutzt. Das Modell wird dann beispielsweise in einen Digital-Signal-Prozessor (DSP), einem Digital-Signal-Controller (DSC) und/oder einer allgemeinen Zustandsmaschine eingebettet, der die Berechnungen und Auswertungen durchführt und nachfolgend durchgehend als DSP bezeichnet wird.
Der in den DSP verwendete Algorithmus ist in der Lage, immer die Historie der Messung auf dem letzten Ast abzuspeichern und erkennt die Umkehrpunkte UP_i, wann immer eine Richtungsänderung der Messung stattfindet. Dazu benötigt der Algorithmus zur Berechnung des jeweiligen Astes der Hysterese nur die äußere Hysteresekennlinie und die Lage des letzten Umkehrpunktes UP bzw. die Information, ob eine steigende oder fallende Astkurve vorliegt. Für eine genaue Erkennung dieser Punkte erfolgt eine digitale Filterung des Signals, welche ebenfalls bereits Teil des in der DSP eingebetteten Programms ist. Außerdem ist eine externe analoge Filterung des Brückensignals notwendig, damit das Rauschen und andere Störungen weitestgehend reduziert werden können. Aus den Umkehrpunkten, der Historie, die im letzten Umkehrpunkt festgehalten wurde, und dem ursprünglich gespeicherten Hystereseverhalten, wird der neue Ast der Messung bzw. dessen Parameter berechnet.
Die Anordnung zur Durchführung letzterer Vorgehensweise ist in 5 dargestellt. Hier bedeutet 10 die eigentliche Messanordnung mit vier GMR-Sensoren, 20 eine gesteuerte Stromquelle, 30 eine Einheit mit Filtern und Offset-Korrektur und 40 die Berechnungseinheit DSP.
In der 5 sind die vorstehend bezeichneten Einheiten als „Black Boxen" angedeutet. In der Messeinheit 10 sind die vier GMR-Sensoren 11 bis 14 in der bekannten Anordnung einer Wheatstone'schen Brückenschaltung angeordnet. Es ergibt sich eine Wechselwirkung zur Einheit 20 mit der Stromquelle aus einem rückgekoppelten Verstärker 21 mit Beschaltungswiderständen 22 und 23. Die Einheit 30, auf welche Einheit die Signale der Messeinrichtung 10 gegeben werden, ist als Vorfilter mit der Filterkennlinie dargestellt.
Wesentlich ist die Einheit 40 mit der DSP. Hier erfolgen nacheinander eine Digitalisierung, eine weitere digitale Filterung, eine erste Bestimmung der Linearität, eine Bestimmung der Hysterese, eine Bestimmung der Temperatur, ein Datentransfer und eine zugehörige Steuerung. Dazu sind in bekannter Ausbildung einer solchen Recheneinheit eine ALU 41, eine ADU 42, Memory-Einheiten 43 und 44 (sog. MEM) und eine Integrationseinheit 45 vorhanden. Das Ausgangssignal der Recheneinheit 40 ist ein Digitalsignal 50, wobei zwischen Einheit 40 und Einheit 20 mit der Stromquelle ein Digital/Analog-Wandlern 55 geschaltet ist.
Zum Betrieb der DSP 40 ist das Berechnungsprogramm bzw. der dazu verwendete Rechenalgorithmus wesentlich, der nachfolgend näher beschrieben wird.
Der Algorithmus zum Betrieb der Einheit 40 muss, um eine Echtzeitfähigkeit der Verarbeitung, welche insbesondere für schnelle Prozesse als notwendig erachtet wird, zu bewahren, nicht nur genauigkeitsorientiert, sondern auch geschwindigkeitsorientiert sein. Da sich diese beiden Randbedingungen normalerweise gegenseitig ausschließen, wird im vorliegenden Fall ein bestimmter Kompromiss zwischen Messgenauigkeit und Auswertegeschwindigkeit gemacht. Ein solcher Kompromiss soll dazu führen, dass ein angepasstes Polynom von beispielsweise 5. bis 9. Grades gewählt wird, um eine hinreichend gute Messung durchzuführen. Das Intervall kann aber durch verbesserte Algorithmen erweitert werden. Allgemein sind Polynome vom 3. bis 33. Grades verwendbar.
Bei dem hier verwendeten Modell handelt es sich um ein iteratives Modell, wobei die Fehlerfortpflanzung nicht vernachlässigt werden kann. Es muss damit gerechnet werden, dass bei jedem neuen Ast, das Modell an Genauigkeit verliert und dass nach einer gewissen Anzahl von Richtungsänderungen der sich dabei jeweils resultierende Fehler schon zu einem merklichen und nicht mehr akzeptierbaren Wert summiert. Um dieses Problem zu beseitigen, wird nach vorgegebenen Zeitintervallen jeweils eine Rückstellung des Sensors und des Modells auf den Ausgangspunkt vorgenommen. Das Rücksetzen kann mit Hilfe eines Pulses, wie beim Anfang der Messung, durch eine sich ggf. auf der Sensoroberfläche befindlichen Spule durchgeführt werden. Damit wird der komplette Sensor 10 wieder in einen bekannten hysteretischen Zustand, beispielsweise auf der äußeren Hysteresekurve, gebracht und die Messung kann fehlerlos weitergeführt werden.
Ein Ansatz als Modell für die inverse Hysterese entsprechend 2 ist Gleichung 1: P(Um + u0) – h0 = P(Um – u0) + h0 (1)wobei U_m der Abszissenwert des sog. Büschelpunktes B1 bzw. B2 der Funktion P(Ur + u0) – h0 = P(Ur – u0) + h0 + G1(Ur) (2)ist.
Nach Initialisierung durch einen Puls in negativer Stromrichtung ergibt sich Gleichung 3: In(u) = P(u + (–1)n·u0) – (–1)n+1·h0 + Gn(u), (3)wobei für G_n(u) gilt: Gn(u) = (In-1(Ur) – P(Ur + (–1)n·u0) – (–1)n·h0)·(P((–1)n·Um + (–1)n·u0) – P(u + (–1)n·u0)) : (P((–1)n·Um + (–1)n·u0) – P(Ur + (–1)n·u0)) (4)
Dabei gelten folgende Randbedingungen: P(u), u₀, h₀ werden aus der äußeren Hysterese ermittelt, wobei P(u) ein ungerades Polynom 3 bis 33. Grades ist und U₀, h₀ die Translation der äußeren Hysterese beschreiben. Es erfolgt eine iterative Vorgehensweise.
Eine praktische Berücksichtigung der Gleichungen (1) bis (4) wird anhand des Flussdiagramms gemäß 6 verdeutlicht.
Das Flussdiagramm zeigt ein Struktogramm 100, das einen einzelnen Iterationsschritt bei Berechnung des Hystereseverhaltens berücksichtigt.
Das Struktogramm 100 besteht aus Mess- bzw. Aktionsschritten 101 bis 103, Entscheidungsschritten 104 und 106, weiteren Ak tionsschritten 105, 107 bis 109 sowie die Schleifen 110 bis 113, 114 bis 116 und 120. Mit der zugehörigen Beschriftung, bei der r einen Index für die Umkehrpunkte darstellt, ist das Struktogramm 100 selbsterklärend. Die wesentlichen Schritte werden nachfolgend ausgeführt:
Zunächst wird die Brückenspannung vom Sensor übernommen und in einen Digitalwert umgewandelt. Das Digitalfilter wird auf den letzten Werten ausgeführt. Es wird getestet, ob die steigende/fallende Richtung der Messwerte sich geändert hat. Falls eine Richtungsänderung besteht, wird die Anzahl der Richtungsänderungen inkrementiert, es erfolgt ein Sprung zum Schritt 114.
Falls die Anzahl der Richtungsänderungen den Maximalwert überschritten hat, wird ein Strompuls erzeugt, der die Messung in die Anfangsposition auf der äußeren Hystereseschleife zurücksetzt. Damit werden alle Parameter des Algorithmus bzw. des Modells auf die Ausgangswerte zurückgesetzt und es erfolgt ein Sprung zum Schritt 114.
Ist Letzteres nicht der Fall, wird analysiert, welche der letzten Punkte im Historiepuffer tatsächlich einen Umkehrpunkt beinhaltet und ein lokales Maximum darstellt. In diesem Fall wird ein neuer Hystereseansatz mit Hilfe des letzten Umkehrpunktes und des Modells berechnet. Die alten Werte werden aus dem Historiepuffer entfernt und nur die neueren, auch weiter nutzbaren Werte werden behalten. Der neue Messpunkt wird dann zum Historiepuffer/-speicher hinzugeführt. Der dem Messpunkt entsprechende Ausgangswert wird aus der Kennlinie berechnet. Deren Ergebnis wird auf den Digitalbus gegeben bzw. zum D/A-Wandler gesandt, wo er für eine eventuelle Rückkopplung zur Verfügung steht. Es folgt dann der iterative Sprung mit neuem Wert zum Schritt 101.
Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Magnetfeldsensoren haben üblicherweise eine hysteresebehaftete Kennlinie, deren Änderungen bei der Messung berücksichtigt werden muss.
Gemäß vorstehend beschriebener Erfindung wird von einem genau definierten Punkt auf einer Anfangskurve der Hysteresekennlinie ausgegangen, wobei von diesem Ausgangspunkt entlang einer Anfangskurve gestartet und bei Richtungsänderung eine neue Kennlinie berechnet wird. Der errechnete Punkt auf dieser Kennlinie gilt dann als neuer Ausgangspunkt für die weitere Berechnung. Bei der zugehörigen Anordnung ist ein Rechner mit einem zugehörigen Rechneralgorithmus vorhanden, mit dem unter Verwendung eines inversen Modells für die Hysteresekurve mittels eines Digitalsignalprozessors (DSP/DSC) die Aktualisierung der Hysteresekurve berechnet wird und in einem iterativen Verfahren eine neue Kennlinie bestimmt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102006046739 [0010]
- DE 102006046736 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Monographie von J. Takács "Mathematics of Hysteretic Phenemona" 2003 Wiley-VCH GmbH & CO (ISBN 3-527-40 401-5), insb. Kap. 1 bis 5, Seiten 1 bis 44 [0016]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Magnetfeldsensors, der eine hysteresebehaftete Kennlinie aufweist, wobei beim Betrieb des Magnetfeldsensors durch die Kennlinie sich eine veränderbare Hystereseschleife bildet, mit folgenden Maßnahmen: – Es erfolgt eine digitale Berechnung der einzelnen Schritte, – zur digitalen Berechnung wird von einem genau definierten Punkt auf einer Anfangskurve der Hysteresekennlinie ausgegangen, – vom Ausgangspunkt wird entlang der vorliegenden Hysterese-Kennlinie gestartet, – bei Richtungsänderung wird eine neue Kennlinie berechnet und – es wird der Umkehrpunkt auf dieser Kennlinie als neuer Ausgangspunkt für die weitere Berechnung verwendet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei jeder Richtungsänderung entlang der Kennlinie eine neue Kurve der Hystereseschleife berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl der Kennlinie rechnerisch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Modell für das Hystereseverhalten verwendet wird, wobei ganz rationale Funktionen verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion direkt an das inverse Modell angepasst und eine spätere Invertierung nicht notwendig wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Modellbildung und die Anpassung an das Modell eine im Einzelnen ausgemessene äußere Hystereseschleife genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Algorithmus verwendet wird, der die Historie der Messung berücksichtigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal gefiltert wird und damit Rauschen und andere Störungen weitestgehend reduziert werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Algorithmus genauigkeits- und geschwindigkeitsorientiert ist, um eine Echtzeitfähigkeit der Signalverarbeitung zu gewährleisten.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für den Algorithmus Polynome 3. bis 33. Grades, vorzugsweise Polynome 5. bis 9. Grades, verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung ein iteratives Modell verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung des Modells für die inverse Hysterese nachfolgende Gleichungen verwendet werden: P(Um + u0) – h0 = P(Um – u0) + k (1) P(Ur + u0) – h0 = P(Ur – u0) + h0 + G1(Ur) (2) In(n) = P(u + (–1)n u0) + (–1)n+1h0 + Gn(u) (3)
, wobei die Parameter P: Polynom 3.–33. Grades U_m: Büschelpunkte der äußeren Hystereseschleife (Maximalwerte) U_R: Umkehrpunkte in der Messung u_o: Horizontale Verschiebung der Kurve h_o: vertikale Verschiebung der Kurve G_i: Zusatzfunktion zur Berechnung der inneren Hystereseschleife I_n: berechnete Werte der Funktion bedeuten.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 12, mit einer digital arbeitenden Recheinrichtung und einem zugehörigen Rechenalgorithmus unter Verwendung eines Modells für die Hysteresekennlinie, wobei als Recheinrichtung (40) ein Digital-Signalprozessor oder Digital-Controller (DSP/DSC) und/oder eine allgemeine Zustandsmaschine verwendet wird, in welche das Modell für die Hysteresekennlinie eingebettet ist und mit denen die Berechnungen zur Auswertung des Messsignals erfolgen.
Anordnung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Mittel (30–50) zur Digitalisierung, zur digitalen Filterung, zum Datentransfer und zur Steuerung, wobei durch die Mittel (30– 50) Linearität, Hysterese und/oder Temperatur bei der Signalerfassung berücksichtigt werden.
Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem digitalen Signalprozessor (40) wenigstens ein Vorfilter (30) zur Vorfilterung und/oder Offset-Korrektur der Messsignale vorhanden ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine steuerbare Stromquelle (20) vorhanden ist, mit welcher der Magnetfeldsensor (10) in Abhängigkeit vom Messergebnis steuerbar ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (40) digitale Rechenmittel (41–45) aufweist, mit denen eine Berechnung der Hysteresekennlinie nach vorgegebenem Programm erfolgt.
Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechenalgorithmus (100) ein iteratives Softwareprogramm ist.
Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Softwareprogramm (100) aktualisierte Werte für die Hysteresekennlinie berechnet.
Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass beim Rechenalgorithmus (100) zur Fehlerbegrenzung nach einer vorgegebenen Anzahl von Rechenschritten jeweils auf den Ausgangswert zurückgesetzt wird und dass dieser Ausgangswert zur erneuten Berechnung der Kennlinie verwendet wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Speicher bzw. Puffer (43, 44) vorhanden ist, der in die Historie der Kennlinienberechnung abgespeichert wird.
Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Historie-Puffers ((43, 44) jeweils auf einen geeigneten Speicherwert rückgreifbar ist.