DE102015114608A1

DE102015114608A1 - Außeraxiales Sensorsystem

Info

Publication number: DE102015114608A1
Application number: DE102015114608.8A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner; Mario Motz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-09-02
Filing date: 2015-09-01
Publication date: 2016-03-03
Also published as: CN105387876B; CN105387876A; US9618365B2; US20160061630A1

Abstract

Ein Winkelsensorgerät umfasst erste und zweite Magnetspuren (102, 104), eine Sensorkomponente (106, 108) und eine Steuereinheit (110). Die ersten und zweiten Magnetspuren (102 104) sind an einem drehbaren Gegenstand befestigt und sind eingerichtet zum Erzeugen eines nichthomogenen Feldes (116, 118). Das nichthomogene Feld weist einen kleineren Größengradient entlang einer Drehrichtung des drehbaren Gegenstands als einer lotrechten Richtung auf, die sich lotrecht zur Drehrichtung befindet. Die Sensorkomponente (106, 108) ist außeraxial positioniert und ist eingerichtet zum Messen eines Magnetfeldes einschließlich des nichthomogenen Feldes und Bereitstellen von Magnetfeldmessungen. Die Steuereinheit ist eingerichtet zum Bestimmen von Winkelinformationen aus den Magnetfeldmessungen.

Description

Hintergrund
Sensoren werden in Messsystemen zum Erkennen von Eigenschaften wie beispielsweise Licht, Temperatur, Bewegung und dergleichen benutzt. Eine gewöhnlich benutzte Art von Sensor ist ein auf Magnetfeldern basierender Winkelsensor. Der Winkelsensor misst ein Magnetfeld und berechnet einen Winkel basierend auf der Feldmessung.
Eine gewöhnliche Winkelsensorart ist ein axialer Sensor, der axial zu einem sich drehenden Gegenstand ausgerichtet ist wie beispielsweise einer Motorwelle. Eine weitere Art von Winkelsensor ist ein außeraxialer Sensor, der nicht axial zu dem Gegenstand oder der Welle ausgerichtet ist. Stattdessen ist der außeraxiale Sensor abseits der Achse des sich drehenden Gegenstandes angebracht.
Außeraxiale Sensoren sind besonders zweckdienlich für Situationen, in denen sie nicht auf einer Achse angebracht werden können. Diese Sensoren können jedoch Herausforderungen beim Erhalten genauer Messungen gegenüberstehen.
Zusammenfassung
Deshalb besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken zum Betreiben von außeraxialen Sensorkomponenten, die eingerichtet zum Messen eines Magnetfelds sind. Insbesondere besteht ein Bedarf für solche Techniken, die zumindest einige der voranstehend genannten Beschränkungen und Nachteile beheben. Insbesondere besteht ein Bedarf für solche Techniken, welche robust gegen Störungen in Magnetfeldern sind, die zum Beispiel durch Störeinflüsse benachbarter Komponenten hervorgerufen werden.
Diese Aufgabe wird von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen.
Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Winkelsensorgerät. Das Winkelsensorgerät umfasst erste und zweite Magnetspuren. Die ersten und zweiten Magnetspuren sind an einem drehbaren Gegenstand befestigt und sind eingerichtet, um ein nichthomogenes Feld zu erzeugen. Der drehbare Gegenstand ist eingerichtet, um sich um eine Drehachse zu drehen. Das nichthomogene Feld weist einen kleineren Größengradienten entlang einer Drehrichtung als in einer lotrechten Richtung auf. Die lotrechte Richtung ist lotrecht zur Drehrichtung. Das Winkelsensorgerät umfasst auch eine außeraxial positionierte Sensorkomponente, die zum Messen eines Magnetfelds einschließlich des nicht homogenen Feldes und zum Bereitstellen von Magnetfeldmessungen eingerichtet ist. Das Winkelsensorgerät umfasst auch eine Steuereinheit. Die Steuereinheit ist eingerichtet zum Bestimmen von Winkelinformationen aus den Magnetfeldmessungen.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Signalverarbeitungsschaltung. Die Signalverarbeitungsschaltung umfasst erste und zweite Magnetspuren. Die ersten und zweiten Magnetspuren sind an einem drehbaren Gegenstand befestigt und sind eingerichtet zum Erzeugen eines nichthomogenen Feldes. Der drehbare Gegenstand ist eingerichtet, um sich um eine Drehachse zu drehen. Das nichthomogene Feld weist einen kleineren Größengradienten entlang einer Drehrichtung auf, als in einer lotrechten Richtung. Die lotrechte Richtung ist lotrecht zur Drehrichtung. Die Signalverarbeitungsschaltung umfasst weiterhin ein erstes Sensorelement, welches zum Bereitstellen von Werten erster Magnetfeldkomponenten des nichthomogenen Feldes für eine erste Stelle eingerichtet ist. Die Signalverarbeitungsschaltung umfasst weiterhin ein zweites Sensorelement, welches zum Bereitstellen von Werten zweiter Magnetfeldkomponenten des nichthomogenen Feldes für eine zweite Stelle eingerichtet ist. Die zweite Stelle unterscheidet sich von der ersten Stelle. Die Signalverarbeitungsschaltung umfasst weiterhin einen Analog-Digitalwandler, welcher zum Erzeugen von Werten erster und zweiter digitaler Magnetfeldkomponenten aus den Werten erster und zweiter Magnetfeldkomponenten eingerichtet ist. Die Signalverarbeitungsschaltung umfasst weiterhin eine differentiale Signalverarbeitungseinheit, die zum Ausfiltern eines homogenen Feldes aus den ersten und zweiten digitalen Komponenten eingerichtet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines außeraxialen Magnetsensors. Das Verfahren umfasst das Einrichten erster und zweiter Magnetspuren um einen drehbaren Gegenstand zum Erzeugen eines nichthomogenen Magnetfelds bei Drehung. Das nichthomogene Magnetfeld umfasst einen kleineren Größengradienten entlang einer Bewegungsrichtung als entlang einer lotrechten Richtung. Die lotrechte Richtung ist zu der Bewegungsrichtung lotrecht. Das Verfahren umfasst weiterhin das Erhalten von ersten Magnetfeldkomponenten an einer ersten Stelle außeraxial von dem drehbaren Gegenstand. Das Verfahren umfasst weiterhin das Erhalten von zweiten Magnetfeldkomponenten an einer zweiten Stelle außeraxial von dem drehbaren Gegenstand. Die zweite Stelle ist von der ersten Stelle um einen Betrag beabstandet. Das Verfahren umfasst weiterhin das differentiale Verarbeiten der ersten und zweiten Magnetfeldkomponenten zum Entfernen eines Störungsfeldes und zum Erzeugen von Winkelinformationen für den drehbaren Gegenstand.
Ein Winkelsensorgerät umfasst erste und zweite Magnetspuren, eine Sensorkomponente und eine Steuereinheit. Die ersten und zweiten Magnetspuren sind an einem drehbaren Gegenstand befestigt und sind eingerichtet zum Erzeugen eines nichthomogenen Feldes. Der drehbare Gegenstand ist eingerichtet zum Drehen um eine Drehachse und das nichthomogene Feld weist einen kleineren Gradienten von Größe entlang einer Drehrichtung als eine senkrechte Richtung auf, die zur Drehrichtung senkrecht ist. Die Sensorkomponente ist außeraxial positioniert und ist eingerichtet zum Messen eines Magnetfeldes einschließlich des nichthomogenen Feldes und Bereitstellen von Magnetfeldmessungen. Die Steuereinheit ist eingerichtet zum Bestimmen von Winkelinformationen aus den Magnetfeldmessungen.
Eine Signalverarbeitungsschaltung umfasst ein erstes Sensorelement, ein zweites Sensorelement, eine Analog-Digitalkomponente und eine Differentialsignalverarbeitungseinheit. Das erste Sensorelement ist eingerichtet zum Bereitstellen erster Magnetfeldkomponenten für eine erste Stelle. Das zweite Sensorelement ist eingerichtet zum Bereitstellen zweiter Magnetfeldkomponenten für eine zweite Stelle. Die Analog-Digitalkomponente ist eingerichtet zum Erzeugen erster und zweiter digitaler Magnetfeldkomponenten aus den ersten und zweiten Magnetfeldkomponenten. Die Differentialsignalverarbeitungseinheit ist eingerichtet zum Ausfiltern eines Störungsfeldes aus den ersten und zweiten Digitalkomponenten.
Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines außeraxialen Magnetsensors offenbart. Erste und zweite Magnetspuren sind eingerichtet an oder um einen drehbaren Gegenstand herum zum Erzeugen eines nichthomogenen Magnetfeldes bei Drehung. Erste Magnetfeldkomponenten werden an einer ersten Stelle erhalten, die sich außeraxial von dem drehbaren Gegenstand befindet. Zweite Magnetfeldkomponenten werden an einer zweiten Stelle erhalten, die ebenfalls außeraxial von dem drehbaren Gegenstand liegt. Die zweite Stelle ist um einen Betrag axial von der ersten Stelle beabstandet. Die erste und zweite Magnetfeldkomponente werden differential verarbeitet, um ein Störungsfeld zu beseitigen und zum Erzeugen von Winkelinformationen für den drehbaren Gegenstand.
Die oben dargelegten Merkmale und Merkmale, die nachfolgend beschrieben werden, können nicht nur in den entsprechenden explizit dargelegten Kombinationen verwendet werden, sondern auch in weiteren Kombinationen oder isoliert, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm eines außeraxialen Winkelsensorsystems, das unter Verwendung mehrerer erzeugter Magnetfelder fungiert.
2 ist ein Diagramm eines außeraxialen Winkelsensorsystems, das zwei erzeugte Magnetfelder benutzt.
3 ist ein Diagramm eines außeraxialen Winkelsensorsystems, das vier erzeugte Magnetfelder benutzt.
4 ist ein Diagramm eines außeraxialen Winkelsensorsystems, das mehrere Magnetspuren und eine orthogonale Sensormatrize benutzt.
5 ist ein Diagramm eines außeraxialen Winkelsensorsystems, das mehrere Magnetspuren und ein tangentiales Sensorgehäuse benutzt.
6 ist ein Diagramm einer Magnetspur, die in den obigen Sensorsystemen benutzt werden kann.
7 ist ein Diagramm einer radialmagnetisierten Magnetspur, die in den obigen Sensorsystemen benutzt werden kann.
8 ist ein Diagramm einer nichthomogenen radialmagnetisierten Magnetspur, die in den obigen Sensorsystemen benutzt werden kann.
9 ist ein Diagramm einer gleichgerichteten Ansicht von Magnetspuren mit an einer Außenfläche einer Trommel-/Basisschicht angelegten Magnetstreifen.
10 ist ein weiteres Diagramm einer gleichgerichteten Ansicht von Magnetspuren mit an einer Außenfläche einer Trommel-/Basisschicht angelegten Magnetstreifen.
11 ist ein weiteres Diagramm einer gleichgerichteten Ansicht von Magnetspuren mit an einer Außenfläche einer Trommel-/Basisschicht angelegten Magnetstreifen.
12 ist ein Schaltbild einer Steuerschaltung für mehrere erzeugte Magnetfelder.
13 ist ein weiteres Schaltbild einer Steuerschaltung für mehrere erzeugte Magnetfelder unter Verwendung eines einzelnen Analog-Digitalwandlers.
14 ist ein Diagramm einer radialen Anordnung von Magnetspuren, die in den obigen Sensorsystemen benutzt werden können.
15 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer außeraxialen Magnetsensorvorrichtung.
Ausführliche Beschreibung
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Eine Verbindung oder Kopplung kann drahtgebunden oder drahtlos implementiert sein. Funktionale Einheiten können als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden.
Die vorliegende Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungsfiguren beschrieben, wobei gleiche Bezugsziffern insgesamt zur Bezugnahme auf gleiche Elemente benutzt werden und wobei die dargestellten Strukturen und Vorrichtungen nicht unbedingt maßstabgerecht gezeichnet sind.
Es werden Vorrichtungen, Systeme und Verfahren offenbart, die Winkelsensoren ermöglichen und Störungen in Magnetfeldern lindern. Rauhe Umgebungen, wie beispielsweise Automobilsysteme, weisen eine Vielzahl von Komponenten und Zuständen auf, die Elektronik, Sensoren und Magnetfelder beeinflussen. Diese Störungen können zu fehlerhaften Messungen, Sensorausfällen und dergleichen führen.
1 ist ein Diagramm eines außeraxialen Winkelsensorsystems 100, das mit mehreren erzeugten Magnetfeldern arbeitet. Das System 100 ist in einer vereinfachten Form dargestellt, um Verständnis zu erleichtern. Das System 100 kann in rauen Umgebungen, wie beispielsweise Automobilsystemen, Fahrzeugsystemen und dergleichen benutzt werden. Das System 100 kann in ein oder mehrere Geräte eingebaut werden.
Das System 100 umfasst eine erste Magnetspur 102, eine zweite Magnetspur 104, ein erstes Sensorelement 106, ein zweites Sensorelement 108 und eine Steuereinheit 110. Die Sensorelemente 106 und 108 messen durch die erste und zweite Magnetspur 102 und 104 erzeugte, als Nutzfeld bezeichnete Felder. Das Nutzfeld übermittelt Drehungsinformation. Jedoch messen die Sensorelemente 106 und 108 auch andere, als Störungsfelder bezeichnete vorhandene Magnetfelder. Typischerweise können Störungsfelder die Genauigkeit und die Funktion der Magnetsensoren schwächen, die Nutzfelder messen. Unter Verwendung der mehreren Magnetspuren, wie beispielsweise 102 und 104, sind jedoch die Magnetspuren zum Steigern der Feldgradienten in axialer Richtung angeordnet, die sich zwangsläufig von einer Drehungsrichtung unterscheidet. Als Ergebnis verbessern die mehreren Magnetspuren die Nutzfelder und schwächen die Auswirkung der Störungsfelder.
Die Magnetspuren 102 und 104 sind fest an einem drehbaren Gegenstand angebracht. Als Ergebnis drehen sich die Magnetspuren 102 und 104 mit dem drehbaren Gegenstand entlang einer Drehrichtung oder Bewegungsrichtung. So sind die Spuren 102 und 104 in einer festen relativen Lage zueinander/gegeneinander. Typischerweise ist der drehbare Gegenstand relativ groß, wie beispielsweise 20 mm, und die Magnetspuren 102 und 104 sind noch größer, wie beispielsweise 30 mm, da sie den drehbaren Gegenstand umgeben. Die Magnetspuren 102 und 104 bewegen sich synchron bei Drehungen mit dem drehbaren Gegenstand. Der drehbare Gegenstand kann eine Welle, Motorwelle, Nockenwelle, Kurbelwelle, Einspritzsteuerung und dergleichen sein.
Die Magnetspuren 102 weisen eine geeignete Form auf, einschließlich flacher oder gekrümmter Oberflächen einer Festplatte. In magnetostatischer Theorie wird das Magnetfeld eines solchen massiven Magneten durch auf seinen Oberflächen befindliche entsprechende magnetische Ladungen berechnet. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Patentanmeldung werden entsprechende magnetische Ladungen tragende Oberflächen als Magnetspuren betrachtet. Die Magnetspuren sind länglich und umgeben die Drehachse. Sie sind typischerweise, aber nicht unbedingt, ringförmig. Physikalisch können die Magnetspuren 102 und 104 ein solides magnetisches Material (z.B. gesintertes oder gepresstes Magnetpulver), Bänder oder Streifen magnetischen Materials (z.B. geklebte Kunststoffstreifen), eine Oberfläche eines Magneten und dergleichen umfassen. In einem Beispiel sind geklebte Kunststoffstreifen von magnetischem Material an einem weichmagnetischen Material aus hartem Metall befestigt. Dabei bedeutet „weichmagnetisch“, dass das Material eine große relative Permeabilität (typischerweise größer als 500) aufweist, so dass es auch durch schwache von außen angelegte Magnetfelder (von z.B. 80 A/m) magnetisiert werden kann, und das bei Entfernung dieses äußeren Magnetfeldes entmagnetisiert wird. Dies steht im Gegensatz zu hartmagnetischem Material, das nur durch große von außen angelegte Magnetfelder magnetisiert wird (typischerweise über 80 kA/m), und das seine Magnetisierung bei Entfernung dieses äußeren Magnetfeldes bewahrt. Die Magnetspuren umfassen hartmagnetisches Material. Die Begriffe „weichmagnetisch“ und „hartmagnetisch“ beziehen sich nicht unbedingt auf mechanische Eigenschaften wie beispielsweise „weich“ und „hart“.
Die Spuren 102 und 104 weisen einen relativ großen Umfang/Umkreis und entsprechend relativ großen Durchmesser auf und weisen relativ geringe Breiten auf. In einem Beispiel beträgt die Breite jeder Spur weniger als rund 25 mm. Die Magnetspuren 102 und 104 sind im Wesentlichen kreisförmig und umgeben den drehbaren Gegenstand. Die Spuren 102 und 104 können nebeneinander angeordnet oder durch eine Lücke beabstandet sein. In einem Beispiel ist die Lücke weniger als rund 10 mm breit. Die Lücke kann so angeordnet sein, dass erkannte Magnetfeldkomponenten gegenüber kleinen Lagetoleranzen der Elemente 106 und 108 stabil sind. In einigen Fällen ist eine Mindestlücke erforderlich, um eine ausgewählte Magnetisierung bereitzustellen, wie beispielsweise eine erforderliche hohe Magnetisierungsgüte.
In einem Beispiel befinden sich die erste Spur 102 und die zweite Spur 104 auf einer gekrümmten Oberfläche. Die gekrümmte Oberfläche kann aus einem Metall bestehen und kann eine Außenfläche einer Trommel oder eines Zylinders sein. In einem weiteren Beispiel befinden sich die erste Spur 102 und die zweite Spur 104 auf einer die Drehachse umgebenden flachen Oberfläche.
Die erste Spur 102 und die zweite Spur 104 sind eingerichtet, verschiedene Magnetisierungen oder magnetische Eigenschaften aufzuweisen. Im Allgemeinen verändern sich die Magnetisierungen der Spuren 102 und 104 nach Vorzeichen, Größe oder Richtung, aber in Sonderfällen können sie die gleiche magnetische Polarität (Norden und Süden) aufweisen, aber unterschiedliche Größenwerte aufweisen. In einem Beispiel weist die erste Spur 102 einen relativ starken Nordpol auf und die zweite Spur 104 weist einen relativ schwachen Nordpol auf. Als Ergebnis weisen die erste Spur 102 und die zweite Spur 104 veränderte Feldgradienten in einer normalen oder tangentialen Richtung auf. Entlang der verlängerten Richtung der Spuren 102 und 104 (Bewegungsrichtung) ist jedoch der Feldgradient kleiner als der der dazu lotrechten Richtung. Das beruht darauf, dass die Länge jeder Spur um die Drehachse länger als der Abstand zwischen den zwei Spuren ist. Die zwei Spuren stellen daher eine neue Eigenschaft des Magnetfeldmusters her, nämlich der erweitere Feldgradient in wenigstens einer der zwei gegenseitig rechtwinkligen Richtungen lotrecht zur Spurlänge, und diese neue Eigenschaft kann für einen außeraxialen Winkelsensor und Elemente 106 und 108 benutzt werden. In einem Beispiel weisen die erste und zweite Spur 102 und 104 eine Spiegelsymmetrie zu einer Mittelebene auf. In einem weiteren Beispiel weisen die erste und zweite Spur 102 und 104 eine komplementäre Magnetisierung auf, so dass magnetische Nordpole der ersten Spur 102 magnetischen Südpolen der zweiten Spur 104 entsprechen und magnetische Südpole der ersten Spur 102 magnetischen Nordpolen der zweiten Spur 104 entsprechen.
Die durch die Spuren 102 und 104 erzeugten Magnetfelder sind in 1 als erstes Feld oder erster Feldgradient 116 und zweites Feld oder zweiter Feldgradient 118 dargestellt. Die Stärkeänderung des Feldes oder Feldgradienten ist typischerweise sinusförmig und kann durch Verändern von Spurmerkmalen wie beispielsweise Breite, Stärke oder Lücke zwischen den Spuren 102 und 104 erreicht werden. Ein Beispiel eines erzeugten Feldes weist eine Größe wie beispielsweise 100 Gauss in einer Richtung auf, wobei ein Feldgradient eine Stärke oder Größenänderung pro Entfernung wie beispielsweise 1000 Gauss pro Millimeter umfasst. Zusätzlich kann die Stärke durch Ändern einer Menge weichmagnetischen Materials in der Nähe geändert werden. Zum Beispiel können die Spuren an einem weichmagnetischen Stahlträger befestigt sein, der als Magnetspiegel wirkt und damit das durch die Spuren 102 und 104 erzeugte Magnetfeld verstärkt. So wird in einem Beispiel ein Stahlrücken durchlöchert, um seine Magnetspiegelungswirkung zu schwächen und Verändern der Feldstärke zu erleichtern. Die Veränderung von Stärke kann auch durch Verändern der Magnetisierungsrichtung hinsichtlich einer zur Magnetspur normalen Oberfläche erreicht werden, wie es z.B. in dem diametrisch magnetisierten Ringmagneten der 6 geschieht. Einige Beispiele des Veränderns von durch Magnetspuren erzeugten Magnetfeldern werden unten besprochen.
Die Magnetspuren 102 und 104 können hinsichtlich der Magnetisierung als diametrisch eingerichtet sein. Zusätzlich sind die Spuren 102 und 104 eingerichtet, einen einzelnen Pol oder mehrere Pole aufzuweisen, weisen jedoch im Allgemeinen die gleiche Anzahl von Polen auf. Die Magnetspur 102 erzeugt das erste Magnetfeld 116 und die Magnetspur 104 erzeugt das zweite Magnetfeld 118. Wie oben beschrieben ändern sich das erste und zweite Feld so, dass eine Differenz zwischen ihnen besteht. In einem Beispiel sind das erste und zweite Feld sinusförmig und ändern sich durch eine Phasenverschiebung.
Das erste Element 106 und das zweite Element 108 messen Magnetfelder in ihrer Nähe, um erste Messungen 112 und zweite Messungen 114 zu erhalten. Das erste und zweite Element 106 und 108 sind durch einen relativ kleinen Abstand getrennt. Jedoch ist der Abstand genügend, so dass die ersten Messungen 112 und die zweiten Messungen 114 zum Bestimmen von Winkelinformationen über den drehbaren Gegenstand benutzt werden können. Das erste und zweite Element 106 und 108 messen Magnetfelder in zwei (2D-) oder drei (3D-)Richtungen. Die Richtungen umfassen radial, axial und tangential. Alternativ können die gemessenen Richtungen einfache Koordinaten x, y und z umfassen.
Das erste Element 106 ist der ersten Spur 102 näher und wird als Ergebnis mehr durch das Feld 116 beeinflusst. Ähnlicherweise ist das zweite Element 108 der zweiten Spur 104 näher und wird durch das Feld 118 mehr beeinflusst. Beide Elemente messen jedoch beide, als die Nutzfelder bezeichneten Felder 116 und 118. Man erkennt, dass Störungsfelder, die vorhanden sein könnten, typischerweise homogen sind. So sind die Störungsfelder an jedem Sensorelement etwa gleich. Als Ergebnis wird (werden) das (die) Störungsfeld(er) durch die Differenz zwischen den Messungen 112 und 114 im Wesentlichen entfernt oder ausgefiltert.
Die ersten Messungen 112 und die zweiten Messungen 114 werden durch die Steuereinheit 110 zum Filtern von (einem) Störungsfeld(ern) und Bestimmen von Winkelinformationen über den drehbaren Gegenstand benutzt. Die Winkelinformationen umfassen Winkellage, Drehrichtung, Drehgeschwindigkeit (Drehungen pro Minute) und dergleichen. Die Winkelinformationen können selbst bei relativ großen magnetischen Störungsfeldern wie beispielsweise Feldern von bis zu 10 Millitesla mit ausreichender Genauigkeit erhalten werden.
1 ist mit zwei Magnetspuren 102 und 104 dargestellt, es versteht sich jedoch, dass auch zusätzliche Magnetspuren benutzt werden können. Durch die zusätzlichen Spuren können noch größere Stärkeänderungen für die Magnetfelder bereitgestellt werden.
Zusätzlich können sich die Sensorelemente 106 und 108 auf einer einzelnen Matrize oder auf getrennten Matrizen, aber innerhalb eines gleichen Gehäuses befinden. Zusätzlich kann sich die Steuereinheit 110 auf einer Matrize mit den Elementen 106 und 108 und/oder innerhalb des gleichen Gehäuses befinden.
2 ist ein Diagramm eines außeraxialen Winkelsensorsystems 200, das zwei erzeugte Magnetfelder benutzt. Das in 2 gezeigte System 200 benutzt zwei Magnetspuren zum Erzeugen von zwei Feldern mit verschiedenen Feldgradienten. Das System 200 kann in rauen Umgebungen, Automobilsystemen, Fahrzeugsystemen und dergleichen benutzt werden. Das System 200 kann in ein oder mehrere Geräte gefertigt werden.
Das System 200 umfasst eine Sensorkomponente 224, eine erste Magnetspur 102 und eine zweite Magnetspur 104. Die erste Magnetspur 102 und die zweite Magnetspur 104 sind auch oben hinsichtlich der 1 beschrieben. Das System 200 bestimmt Winkelinformationen über eine Welle 220, die ein drehbarer Gegenstand ist.
Die Welle 220 besteht aus einem geeigneten Werkstoff wie beispielsweise hartem Metall, Stahl und dergleichen. Die Welle 220 dreht sich oder bewegt sich um eine als z gezeigte, auch als Axialrichtung bezeichnete Achse. Die Welle 220 kann mit einem Elektromotor, Verbrennungsmotor, Ventil, Steuerrad, Rad, Nockenwelle, Einspritzsteuerung und dergleichen verbunden oder Teil dieser sein. Typischerweise ist die Welle 220 relativ groß, wie beispielsweise 20 mm oder größer.
Die Sensorkomponente 224 ist abseits der z-Achse positioniert und wird damit als außeraxiale Sensorkomponente bezeichnet und umfasst mehrere Sensorelemente wie beispielsweise die oben beschriebenen Elemente 106 und 108. Die Elemente sind magnetfeldempfindliche Elemente wie beispielsweise magnetoresistive Elemente, die umgebende Magnetfelder in zwei (2D-) oder drei (3D-)Richtungen/Dimensionen messen.
Die Sensorelemente sind durch einen relativ kleinen axialen Abstand voneinander beabstandet. Diese Platzierung ist so ausgewählt, dass jedes Element einem veränderlichen Magnetfeld vom anderen unterworfen ist. Durch Verwendung der mehreren Magnetspuren 102 und 104, die Gradientenfelder bereitstellen, kann die Platzierung kleiner als bei anderen Systemen sein. Typischerweise liegen die Sensorelemente parallel zur z-Achse. So weist die Kombination der durch die Spuren 102 und 104 erzeugten und durch die Sensorelemente gesehenen Felder ein Gradientenfeld auf, indem es seine Größe über eine relativ kleine Entfernung ändert. So ändert sich in einem Beispiel das Kombinationsfeld innerhalb eines Millimeters oder zwei.
Die Magnetspuren 102 und 104 sind in diesem Beispiel ringförmig und auf einer gekrümmten Oberfläche wie beispielsweise einer Oberfläche der Welle 220 gebildet/angeordnet. Es besteht eine Lücke 222 zwischen den Spuren 102 und 104. Die Lücke 222 kann von 0 bis zu einem geeigneten Wert wie beispielsweise 5 mm reichen. Die Magnetspuren 102 und 104 weisen typischerweise den gleichen Außendurchmesser und Umfang auf. Ihre Breite (Axialrichtung), Stärke (Radialrichtung) und Zusammensetzung sind jedoch verschieden, so dass die erzeugte Magnetfeldstärke verschieden ist.
Die Sensorkomponente 224 misst ein Magnetfeld, das ein Nutzmagnetfeld und ein Störungsmagnetfeld umfasst. Das Nutzmagnetfeld ist das durch die Magnetspuren 102 und 104 erzeugte Gradientenmagnetfeld. Das Störungsmagnetfeld ergibt sich aus anderen Komponenten wie beispielsweise anderen Motoren, Drähte durchfließenden Strom und dergleichen. Die Magnetfeldmessungen übermitteln Winkelinformationen über die Welle 220 einschließlich von aber nicht begrenzt auf Drehungen pro Minute (Winkelgeschwindigkeit), Winkellage, Drehrichtung und dergleichen. Eine Steuereinheit oder sonstige Komponente kann das Gradientenmagnetfeld vom Störungsmagnetfeld unterscheiden, um Genauigkeit zu verbessern.
3 ist ein Diagramm eines außeraxialen Winkelsensorsystems 300, das vier erzeugte Magnetfelder benutzt. Das in 3 gezeigte System 300 benutzt vier Magnetspuren zum Erzeugen von vier Feldern mit verschiedenen Feldgradienten. Das System 300 kann in rauen Umgebungen, Automobilsystemen, Fahrzeugsystemen und dergleichen benutzt werden. Das System 300 kann in ein oder mehrere Geräte gefertigt werden.
Das System 300 ist dem oben beschriebenen System 200 ähnlich und auf gleich bezifferte Komponenten kann oben für eine zusätzliche Beschreibung Bezug genommen werden. Das System 300 bestimmt Winkelinformationen über einen drehbaren Gegenstand, Welle 220. Das System 300 umfasst eine Sensorkomponente 224, eine erste Magnetspur 102, eine zweite Magnetspur 104, eine erste zusätzliche Magnetspur 328 und eine zweite zusätzliche Spur 326.
Die zusätzlichen Spuren 328 und 326 können zum Verändern eines durch die Spuren 102, 104, 328 und 326 erzeugten kombinierten Feldes eingerichtet sein. Die zusätzlichen Spuren 328 und 326 können zum Homogenisieren des kombinierten Feldes eingerichtet sein. Wenn damit die Sensorelemente aufgrund von Baugruppentoleranz von ausgewählten Werten abweichen, nimmt ihr Abstand von einer der Spuren 102 und 104 zu, während ihr Abstand von der anderen abnimmt. Wenn beide Magnetspuren 102 und 104 identische oder im Wesentlichen gleichartige Feldmuster erzeugen, ändert sich das kombinierte Feld weniger als das Feld von jeder der Magnetspuren. Damit können Winkelmessfehler aufgrund von Lagetoleranzen der Sensorelemente gelindert werden.
Alternativ können die zusätzlichen Spuren 328 und 326 zum Erzeugen verschiedener Magnetfeldmuster zum weiteren Erhöhen des Magnetfeldgradienten des kombinierten Feldes eingerichtet sein. Zum Beispiel kann eine der zusätzlichen Spuren 328 und 326 ein zu einem Sinus des Drehwinkels der Welle 220 proportionales Feld erzeugen, während die andere ein zu einem Kosinus des Drehwinkels proportionales Feld erzeugen kann. In einem Beispiel sind die zusätzlichen Magnetspuren 328 und 326 zum Erzeugen verschiedener Magnetfeldmuster durch Verwenden verschiedener Streifen von Magnetwerkstoff eingerichtet.
4 ist ein Diagramm eines außeraxialen Winkelsensorsystems 400, das mehrere Magnetspuren und eine orthogonale Sensormatrize benutzt. Das System benutzt die mehreren Magnetspuren zum Erzeugen eines Magnetfeldgradienten, der sich in kleinen Abständen verändert. Das System 400 kann in ein oder mehrere Geräte gefertigt werden.
Das System 400 ist dem oben beschriebenen System 200 ähnlich. Auf gleichziffrige Komponenten kann für eine zusätzliche Beschreibung Bezug genommen werden. Das System 400 umfasst eine drehbare Welle 220, eine erste Magnetspur 102, eine zweite Magnetspur 104 und eine Sensormatrize 424. Das System 400 ist unter Bezugnahme auf Richtungen x, y und z wie in 4 gezeigt beschrieben.
Die drehbare Welle 220 dreht sich um eine Achse entlang der z-Richtung, auch als axiale Richtung bezeichnet. Die erste Magnetspur 102 ist ein Ringmagnet, der einen Teil der drehbaren Welle 220 umgibt. Die zweite Magnetspur 104 ist ebenfalls ein Ringmagnet, der einen Teil der drehbaren Welle 220 umgibt. Die Magnetspuren 102 und 104 sind diametrisch magnetisiert, weisen gleichartige Magnetpolaritäten auf, weisen aber verschiedene Größe oder Stärke auf.
Das Sensorgehäuse 424 (engl. sensor package) umfasst erste und zweite Sensorelemente, eingerichtet zum Messen des Feldes in drei Dimensionen, den Richtungen x, y und z (Komponenten Bx, By und Bz). Die Elemente sind um einen Betrag in der axialen bzw. z-Richtung beabstandet. Die Elemente sind auf einer oder mehreren Sensormatrizen ausgebildet. Das Sensorgehäuse 424 ist eingerichtet, sich in einer orthogonalen Richtung zu befinden und liegt in einer y-, z-Ebene.
5 ist ein Diagramm eines außeraxialen Winkelsensorsystems 500, das mehrere Magnetspuren und ein tangentiales Sensorgehäuse benutzt. Das System 500 benutzt die mehreren Magnetspuren zum Erzeugen eines Magnetfeldgradienten, der sich in geringen Abständen verändert. Das System 500 kann in ein oder mehrere Geräte gefertigt werden.
Das System 500 ist dem oben beschriebenen System 200 ähnlich. Auf gleichziffrige Komponenten kann für eine zusätzliche Beschreibung oben Bezug genommen werden. Das System 500 umfasst eine drehbare Welle 220, eine erste Magnetspur 102, eine zweite Magnetspur 104 und eine Sensormatrize 524. Das System 500 wird wie in 5 gezeigt unter Bezugnahme auf Richtungen x, y und z beschrieben.
Die drehbare Welle 220 dreht sich um eine Achse entlang der z-Richtung, auch als die axiale Richtung bezeichnet. Die erste Magnetspur 102 ist ein Ringmagnet, der einen Teil der drehbaren Welle 220 umgibt. Die zweite Magnetspur 104 ist ebenfalls ein Ringmagnet, der einen Teil der drehbaren Welle 220 umgibt. Die Magnetspuren 102 und 104 sind diametrisch magnetisiert, weisen gleichartige Magnetpolaritäten auf, besitzen aber verschiedene Größe oder Stärke.
Das Sensorgehäuse 524 umfasst erste und zweite Sensorelemente, eingerichtet zum Messen in drei Dimensionen, den Richtungen x, y und z (Komponenten Bx, By und Bz). Die Elemente sind um einen Betrag in der axialen und/oder radialen Richtung beabstandet. Das Sensorgehäuse 424 ist eingerichtet, sich in einer Tangentialrichtung zu befinden und liegt in einer x-, z-Ebene.
Es versteht sich, dass die Sensormatrize oder das Sensorgehäuse in anderen Winkeln oder Richtungen einschließlich von Ebenen zwischen der y-, z-Ebene und der x-, z-Ebene eingerichtet sein kann.
Die gemessenen Magnetkomponenten in Richtungen x, y, z (3D) werden Orthonormalkomponente genannt und als Bx, By und Bz bezeichnet. Diese Komponenten können zum Berechnen von Größen des an jedem Sensorelement gesehenen Magnetfeldes benutzt werden. Zum Beispiel ist die Größe B des Magnetfeldes durch B = sqrt(Bx^2 + By^2 + Bz^2) gegeben. Dann wird ein Winkel bestimmt durch zum Beispiel Bz/B mit
Bx = B*sin(Polarwinkel)*cos(Azimuthalwinkel) und
By = B*sin(Polarwinkel)*sin(Azimuthalwinkel) bestimmt.
In einem Beispiel für 2D-Sensorelemente wird durch die Elemente in wenigstens einem Projektionspunkt eines Magnetfeldvektors auf eine Ebene erkannt, wie eine (x, y-)Ebene eines rechtshändigen karthesischen Koordinatensystems. Dann können die Elemente 106 und 108 Bx- und By-Magnetfeldkomponenten erkennen oder Bxy = sqrt(Bx^2 + By^2) erkennen. Dann wird ein Winkel innerhalb dieser Ebene durch cos(Winkel) = Bx/Bxy und sin(Winkel) = By/Bxy definiert. So werden andere Elemente, die nur einen Winkel erkennen, nicht benutzt.
6 ist ein Diagramm einer Magnetspur 600, die in den obigen Sensorsystemen benutzt werden kann. Die Magnetspur 600 ist als Beispiel vorgesehen und es versteht sich, dass andere Konfigurationen benutzt werden können.
Die Magnetspur 600 ist ein Ringmagnet und ist um eine als z im vorliegenden Beispiel gezeigte Drehachse zentriert. Die Magnetspur 600 ist um eine x-, y-Ebene eingerichtet. Zusätzlich ist die Magnetspur 600 diametrisch mit einem Nordpol in einer y-Richtung und einem Südpol in einer entgegengesetzten (–y)-Richtung magnetisiert. Diametrisch magnetisiert sein bedeutet, dass die Magnetisierung allgemein auf eine einzelne Richtung senkrecht zur Drehachse ausgerichtet ist. Magnetische Nordpole befinden sich auf einem oberen Teil der Magnetspur 600. Magnetische Südpole befinden sich auf einem niedrigeren Teil der Magnetspur 600. Es sind einzelne Feldpfeile gezeigt, die die Polarität der Magnetspur 600 anzeigen.
Es versteht sich, dass Magnetisierungsrichtungen in der gesamten Spur 600 allgemein parallel verlaufen, aber es können aufgrund von Begrenzungen des Magnetwerkstoffs, Magnetisierungsverfahren, Entmagnetisierungswirkungen und dergleichen Variationen vorhanden sein. Typischerweise betragen solche Variationen oder Abweichungen weniger als +/–10 Grad. Auch versteht es sich, dass ähnliche Magnetisierung bei Verwendung anderer Formen erreicht werden kann und/oder Konfigurationen einen soliden Magneten umfassen.
Die Magnetspur 600 erzeugt ein sinusförmiges Magnetfeld, indem die Magnetfeldkomponenten sich sinusförmig an einer Stelle ändern, wenn die Magnetspur 600 um die Drehachse gedreht wird. Dadurch, dass es zwei Magnetspuren wie beispielsweise Spuren 102 und 104 gibt, die sinusförmig durch eine Phasenverschiebung veränderte Magnetfelder erzeugen, kann Winkelinformation durch Vergleichen von Messungen beider Felder bestimmt werden. In einem Beispiel beträgt die Phasenverschiebung 90 Grad, aber es können andere Phasenverschiebungen benutzt werden.
7 ist ein Diagramm einer radial magnetisierten Magnetspur 700, die in den obigen Sensorsystemen benutzt werden kann. Die Magnetspur 700 ist als Beispiel vorgesehen und es versteht sich, dass andere Konfigurationen benutzt werden können.
Die Magnetspur 700 ist wieder als Ringmagnet geformt und um eine als z im vorliegenden Beispiel gezeigte Axialrichtung zentriert. Es versteht sich jedoch, dass andere Formen benutzt werden können.
Die Magnetspur 700 ist radial magnetisiert und damit ist ihre Magnetisierung im Wesentlichen zur Radialrichtung ausgerichtet, die eine sich von der Mitte nach außen erstreckende Richtung ist. Ein Oberteil der Magnetspur 700 weist eine Magnetisierung auf, die nach außen zeigt, während ein Unterteil der Magnetspur 700 eine Magnetisierung aufweist, die nach innen zeigt.
Bei Drehung erzeugt die Magnetspur 700 nicht ein sinusförmiges Magnetfeld. Stattdessen weisen die Feldkomponenten über Zeit eine rechteckige oder dreieckige Pulsform auf, wenn die Spur mit einer relativ konstanten Geschwindigkeit gedreht wird. Jedoch können in der Nähe von null Durchgängen der Rechteckimpulse und abgeflachten Nulldurchgängen von Dreieckimpulsen Überschwingzustände auftreten.
Die Spur 700 kann unter Verwendung relativ kostengünstigen Materials gebildet werden, beispielsweise durch Verwenden dünner Streifen in einer radialen Richtung, so dass die Spur dicke Streifen (z.B. 1 mm) geklebten Kunststoffmagnetwerkstoffs umfasst. Alternativ kann die Spur 700 unter Verwendung von massivem Magnetwerkstoff wie gesinterten harten Ferriten oder Seltenerdwerkstoffen gebildet werden. Der Mangel eines erzeugten sinusförmigen Feldes kann sich zum Bestimmen eines Winkels zwischen zwei oder mehr radial erzeugten Feldern aus zwei oder mehr radial magnetisierten Magnetspuren als problematisch erweisen.
8 ist ein Diagramm einer nichthomogenen radial magnetisierten Magnetspur 800, die in den obigen Sensorsystemen benutzt werden kann. Die Magnetspur 800 ist als Beispiel vorgesehen und es versteht sich, dass andere Konfigurationen benutzt werden können.
Die Magnetspur 800 ist radial mit einem magnetischen Werkstoff ähnlich dem der oben beschriebenen Spur 700 magnetisiert. Jedoch ist die Stärke des Ringes der Spur 800 verschiedenartig oder nicht homogen. Als Ergebnis ist das Magnetfeld typischerweise stärker, wo der Ring dicker ist und schwächer, wo der Ring dünner ist.
Die Magnetspur 800 ist mit einem Außenumfang mit einer kreisförmigen Form und einem Innenumfang mit einer elliptischen Form dargestellt. Es ist zu beachten, dass andere Variationen in Betracht gezogen werden einschließlich eines Außenumfangs mit einer elliptischen Form und eines Innenumfangs mit einer kreisförmigen Form und einem Außenumfang mit einer elliptischen Form und einem Innenumfang mit einer elliptischen Form. Als Ergebnis der elliptischen Form wird ein sinusförmiges Magnetfeld durch Drehung der Magnetspur 800 erzeugt. So werden mehrere sinusförmige Magnetfelder durch mehrere Magnetspuren erzeugt, die das Bestimmen von Winkelinformationen eines drehbaren Gegenstandes erleichtern.
9 ist ein Diagramm einer begradigten Ansicht von Magnetspuren 900 mit an einer Außenfläche einer Trommel/Basisschicht angelegten Magnetstreifen. Es ist nur ein Teil der Spur 900 gezeigt, um die Gestaltung der geometrischen Form der Spuren darzustellen.
Die Magnetspuren 900 umfassen eine erste Spur 902 und eine zweite Spur 904. Die erste Spur 902 umfasst einen radial einwärts gerichteten Magnetisierungsteil/Streifen 908 und einen radial nach auswärts gerichteten Magnetisierungsteil/Streifen 906. Die zweite Spur 904 weist einen ähnlichen aber veränderten Aufbau auf. Die zweite Spur 904 umfasst einen radial nach auswärts gerichteten Magnetisierungsteil/streifen 912 und einen radial einwärts gerichteten Magnetisierungsteil/Streifen 910 auf dem nach auswärts gerichteten Magnetisierungsteil 912. Typischerweise ist die Magnetisierung der zweiten Spur komplementär zu der der ersten Spur.
Der linke Rand der ersten Spur 902 ist als eine winklige Geometrie aufweisend dargestellt, die die Form des erzeugten Magnetfeldes ändert. Der rechte Rand der zweiten Spur 904 ist ebenfalls eine winklige Geometrie zum Ändern der Form eines erzeugten Magnetfeldes aufweisend dargestellt. So ist die Geometrie entlang den Spuren geändert, um die Stärke des daraus erzeugten Magnetfeldes zu ändern. In einem Beispiel ist die Geometrie so geändert, dass die erste Spur 902 und die zweite Spur 904 durch eine Phasenverschiebung getrennte sinusförmige Magnetfelder erzeugen.
10 ist ein weiteres Diagramm einer begradigten Ansicht von Magnetspuren 1000 mit an einer Außenfläche einer Trommel/Basisschicht angelegten Magnetstreifen. Es ist nur ein Teil der Spuren 1000 dargestellt, um den Aufbau der geometrischen Form der Spuren darzustellen.
Die Magnetspuren 1000 umfassen eine erste Spur 1002 und eine zweite Spur 1004. Die erste Spur 1002 umfasst einen radial einwärts gerichteten Magnetisierungsteil/Streifen 1008 und einen radial nach auswärts gerichteten Magnetisierungsteil/Streifen 1006. Die zweite Spur 1004 weist einen ähnlichen, aber veränderten Aufbau auf. Die zweite Spur 1004 umfasst einen radial nach auswärts gerichteten Magnetisierungsteil/Streifen 1012 und einen radial einwärts gerichteten Magnetisierungsteil/Streifen 1010 auf dem nach auswärts gerichteten Magnetisierungsteil 1012.
Die erste Spur 1002 ist als einen dreieckigen Aufbau aufweisend dargestellt. Auf ähnliche Weise ist die zweite Spur 1004 ebenfalls als einen entgegengesetzten, aber dreieckigen Aufbau aufweisend dargestellt. Die Größe der Dreieckform oder -anordnung wird zum Verändern der Stärke des erzeugten Magnetfeldes verändert.
11 ist ein weiteres Diagramm einer begradigten Ansicht von Magnetspuren 1100 mit an einer Außenfläche einer Trommel/Basisschicht angelegten Magnetstreifen. Es ist nur ein Teil der Spuren 1100 gezeigt, um den Aufbau der geometrischen Form der Spuren darzustellen.
Die Magnetspuren 1100 umfassen eine erste Spur 1102 und eine zweite Spur 1104. Die erste Spur 1102 umfasst einen radial einwärts gerichteten Magnetisierungsteil/Streifen 1108 und einen radial nach auswärts gerichteten Magnetisierungsteil/Streifen 1106. Die zweite Spur 1104 weist einen ähnlichen aber veränderten Aufbau auf. Die zweite Spur 1104 umfasst einen radial nach auswärts gerichteten Magnetisierungsteil/Streifen 1112 und einen radial einwärts gerichteten Magnetisierungsteil/Streifen 1110 auf dem nach auswärts gerichteten Magnetisierungsteil 1112.
Der linke Rand der ersten Spur 1102 ist als eine winklige Geometrie aufweisend dargestellt, die die Form des erzeugten Magnetfeldes ändert. Ein rechter Rand der ersten Spur 1102 weist ebenfalls eine winklige Geometrie wie gezeigt auf.
Der rechte Rand der zweiten Spur 1104 ist als eine winklige Geometrie zum Ändern der Form des erzeugten Magnetfeldes aufweisend dargestellt. Auf ähnliche Weise weist ihr linker Rand ebenfalls eine winklige Geometrie auf.
Die winklige Geometrie für rechte und linke Ränder wird verändert oder entlang den Spuren geändert, um die Stärke des daraus erzeugten Magnetfeldes zu verändern. In einem Beispiel ist die Geometrie so geändert, dass die erste Spur 1102 und die zweite Spur 1104 durch eine Phasenverschiebung getrennte sinusförmige Magnetfelder erzeugen.
Zusätzlich können die Spuren auf andere geeignete Weisen eingerichtet sein, um bei Drehung sinusförmige Felder zu ergeben. In einem Beispiel ist das Feld durch Ausbilden von Löchern in einen Trägerstreifen abgeändert, auf denen Magnetmaterial ausgebildet ist. So ist an Stellen, wo Löcher vorhanden sind, die Stärke des Magnetfeldes geringer und Stellen ohne Löcher spiegeln das Magnetfeld und ergeben eine größere Stärke.
In einem weiteren Beispiel umfassen die Magnetspuren eine erste, über einer zweiten ringförmigen Spur ausgebildete ringförmige Spur. Die Spuren weisen gleiche Breite und Stärke auf, die Veränderungen in der Geometrie, wie in den obigen Figuren dargestellt, werden zum Verändern der Magnetfeldstärke benutzt.
12 ist ein Schaltbild einer Steuerschaltung 1200 für mehrere erzeugte Magnetfelder. Die Steuerschaltung 1200 kann in oder mit der Steuereinheit 110 der 1 benutzt werden.
Die Steuerschaltung 1200 erhält oder misst Magnetfeldkomponenten in einer Vielzahl von Richtungen an ersten und zweiten Stellen zum Bestimmen von Winkelinformationen basierend auf den gemessenen Komponenten unter Verwendung von Differentialverarbeitung.
Die Schaltung 1200 umfasst ein erstes Sensorelement 106, ein zweites Sensorelement 108, einen ersten Analog-Digitalwandler (ADC) 1210, einen zweiten ADC 1212 und eine Signalverarbeitungseinheit 1214. Das erste Sensorelement 106 ist eingerichtet zum Bereitstellen erster Magnetfeldkomponenten in Richtungen, x, y, z, bezeichnet Bx1, By1 bzw. Bz1 an einer ersten Stelle. Das zweite Sensorelement 108 ist eingerichtet zum Bereitstellen erster Magnetfeldkomponenten in Richtungen x, y, z, bezeichnet Bx2, By2 bzw. Bz2 an einer zweiten Stelle. Die Richtungen x, y und z sind oben hinsichtlich der 4, 5 und sonst wo beschrieben. Die erste Stelle und die zweite Stelle sind um einen Betrag in der z-Richtung getrennt, die auch zur Drehachse parallel ist.
Die gemessenen Komponenten von den Elementen 106 und 108 sind analog. Von dem ersten ADC 1210 werden die ersten Komponenten Bx1, By1 und Bz1 in Digitalform umgewandelt und vom zweiten ADC 1212 werden die zweiten Komponenten Bx2, By2 und Bz2 in Digitalform umgewandelt.
Von der Signalverarbeitungseinheit 1214 werden die ersten und zweiten Komponenten in Digitalform empfangen. Die Verarbeitungseinheit 1214 verarbeitet die Komponenten zum Erzeugen von Differentialsignalen basierend auf den Komponenten. Die Differentialsignale umfassen Bx1 – Bx2, By1 –By2 und Bz1 – Bz2. Die Differentialsignale und/oder -komponenten werden zum Bestimmen von Winkelinformationen über einen drehbaren Gegenstand benutzt.
13 ist ein weiteres Schaltbild einer Steuerschaltung 1300 für mehrere erzeugte Magnetfelder unter Verwendung eines einzelnen Analog-Digitalwandlers. Die Steuerschaltung 1300 kann in oder mit der Steuereinheit 110 der 1 benutzt werden. Die Steuerschaltung 1300 erhält oder misst Magnetfeldkomponenten in einer Vielzahl von Richtungen an ersten und zweiten Stellen zum Bestimmen von Winkelinformationen basierend auf den gemessenen Komponenten unter Verwendung von Differentialverarbeitung.
Die Schaltung 1300 umfasst ein erstes Sensorelement 106, ein zweites Sensorelement 108, einen Analog-Digitalwandler (ADC) 1316 und eine Signalverarbeitungseinheit 1214. Das erste Sensorelement 106 ist eingerichtet zum Bereitstellen erster Magnetfeldkomponenten in als Bx1, By1 und Bz1 bezeichneten Richtungen x, y bzw. z an einer ersten Stelle. Das zweite Sensorelement 108 ist eingerichtet zum Bereitstellen erster Magnetfeldkomponenten in als Bx2, By2 und Bz2 bezeichneten Richtungen x, y bzw. z an einer zweiten Stelle. Die Richtungen x, y und z sind oben hinsichtlich der 4, 5 und sonst wo beschrieben. Die erste Stelle und die zweite Stelle sind durch einen Betrag in der z-Richtung getrennt, die auch zur Drehachse parallel liegt.
Die gemessenen Komponenten von den Elementen 106 und 108 sind analog. Die Komponenten werden vor dem ADC voneinander abgezogen. Der ADC 1316 empfängt analoge Differentialsignale/-komponenten von den Elementen 106 und 108 und stellt daraus digitale Differentialsignale/-komponenten bereit. Die empfangenen Komponenten umfassen Bx1 – Bx2, By1 – By2 und Bz1 – Bz2. Als Ergebnis kann die Schaltung 1300 größere homogene Störungsfelder als die Schaltung 1200 bearbeiten, da die Störungsfelder vor dem ADC beseitigt werden. Es ist zu bemerken, dass ein homogenes Störungsfeld ein Magnetfeld ist, das an den ersten und zweiten Stellen im Wesentlichen gleich ist.
Von der Signalverarbeitungseinheit 1214 werden die Differentialkomponenten in digitaler Form empfangen und zusätzliche Verarbeitung einschließlich des Bestimmens von Winkelinformationen über einen drehbaren Gegenstand durchgeführt. Die Winkelinformationen werden auf der Basis der Differentialkomponenten bestimmt.
14 ist ein Diagramm einer Radialanordnung 1400 von Magnetspuren, die in den obigen Sensorsystemen benutzt werden kann. Die Anordnung 1400 ist als Beispiel vorgesehen und es versteht sich, dass andere Anordnungen benutzt werden können. Von der Anordnung 1400 werden die Spuren auf einer Ebene einer Radialrichtung R angeordnet anstatt von parallel angeordneten Spuren wie oben gezeigt bereitgestellt.
Die Anordnung umfasst eine erste Spur 102 und eine zweite Spur 104, die um eine Drehachse z zentriert sind. Die Spuren 102 und 104 können sich auf einer die Drehachse z umgebenden Ebene oder flachen Oberfläche befinden. Die erste Spur 102 und die zweite Spur 104 sind als im Wesentlichen kreisförmig dargestellt, jedoch werden andere Formen in Betracht gezogen. Die erste Spur 102 besitzt eine Innenfläche mit einem größeren Umfang als eine Außenfläche der zweiten Spur 104. Als Ergebnis umgibt die erste Spur 102 im Wesentlichen die zweite Spur 104. Zusätzlich kann eine Lücke oder ein Raum zwischen der Innenfläche der ersten Spur 102 und der Außenfläche der zweiten Spur 104 bestehen wie in 14 gezeigt.
Die Magnetspuren 102 und 104 werden in einem Beispiel diametral und in einem anderen radial magnetisiert. Zusätzlich können Spurenmerkmale, Breite, Stärke, Grenzen und dergleichen der Spuren 102 und 104 zum Erzeugen eines Gradientenfeldes verändert oder ausgewählt werden.
15 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 1500 des Betreibens eines außeraxialen Magnetsensorgeräts. Das Verfahren 1500 benutzt mehrere an einem drehbaren Gegenstand befestigte Magnetspuren zum Erzeugen eines nichthomogenen Feldes, das selbst in der Gegenwart relativ großer Störungsfelder genau gemessen werden kann.
Das Verfahren beginnt an Block 1502, wo erste und zweite Magnetspuren eingerichtet werden. Die ersten und zweiten Magnetspuren sind eingerichtet zum Erzeugen eines kombinierten Feldes, das nichthomogen ist, indem sich seine Magnetfeldstärke mit der Drehungslage der ersten und zweiten Magnetspuren verändert. In einem Beispiel erzeugen die ersten und zweiten Magnetspuren durch eine Phasenverschiebung veränderte sinusförmige Magnetfelder. Einige Beispiele geeigneter Magnetspuren sind oben bereitgestellt.
Erste Magnetfeldkomponenten werden an einer ersten außeraxialen Stelle vom drehbaren Gegenstand an Block 1504 erhalten. Die Feldkomponenten können Orthonormalkomponenten (3D) wie beispielsweise Bx, By und Bz umfassen. Alternativ können die Feldkomponenten Radial- und Tangentialkomponenten (2D) umfassen. Ein Sensor oder Sensorelement erfasst die ersten Magnetfeldkomponenten.
Zweite Magnetfeldkomponenten werden an einer ebenfalls außeraxialen zweiten Stelle vom drehbaren Gegenstand am Block 1506 erhalten. Die zweite Stelle ist um einen Betrag axial von der ersten Stelle beabstandet. Die Feldkomponenten können Orthogonalkomponenten oder Radial- oder Tangentialkomponenten umfassen. Ein zweites Sensorelement erhält die zweiten Magnetfeldkomponenten. Der Betrag an axialer Beabstandung zwischen dem ersten Sensorelement und dem zweiten Sensorelement ist relativ klein, wie beispielsweise weniger als ca. 2 mm.
Die ersten und zweiten Magnetfeldkomponenten werden differential verarbeitet, um ein Störungsfeld zu entfernen oder zu filtern und Winkelinformationen über den drehbaren Gegenstand am Block 1508 zu erzeugen. In einem Beispiel werden die Feldkomponenten voneinander abgezogen, um irgendwelche vorhandenen Störungsfelder auszufiltern. In einem weiteren Beispiel werden erste und zweite Magnetfeldgrößen für die ersten und zweiten Stellen berechnet. Dann werden die ersten und zweiten Magnetfeldgrößen zum differentialen Entfernen des Störungsfeldes und Erzeugen der Winkelinformationen benutzt.
Während das Verfahren und Variationen desselben unten als eine Reihe von Handlungen oder Ereignissen dargestellt und beschrieben sind, versteht es sich, dass das dargestellte Ordnen solcher Handlungen oder Ereignisse nicht in einem begrenzenden Sinn aufzufassen sind. Zum Beispiel können einige Handlungen in unterschiedlichen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Handlungen oder Ereignissen abgesehen von den hier dargestellten und/oder beschriebenen stattfinden. Zusätzlich müssen nicht alle dargestellten Handlungen zum Ausführen eines oder mehrerer Aspekte oder Ausführungsformen der hiesigen Offenbarung erforderlich sein. Auch könnte eine oder mehrere der hier dargestellten Handlungen in einer oder mehreren getrennten Handlungen und/oder Phasen ausgeführt werden.
Es versteht sich, dass der beanspruchte Gegenstand als ein Verfahren, Gerät oder Fertigprodukt unter Verwendung standardmäßiger Programmierungs- und/oder Konstruktionstechniken zum Erzeugen von Software, Firmware, Hardware oder einer beliebigen Kombination derselben zum Ansteuern eines Computers zum Ausführen des offenbarten Gegenstandes ausgeführt sein kann (z.B. die in 1, 2 usw. gezeigten Systeme/Geräte sind nichtbegrenzende Beispiele eines Systems, das zum Ausführen der obigen Verfahren benutzt werden kann). Der Begriff „Fertigprodukt“, so wie er hier benutzt wird, soll ein von einem beliebigen computerlesbaren Gerät, Träger oder Medium aus zugängliches Computerprogramm umfassen. Der Fachmann wird natürlich erkennen, dass viele Abänderungen dieser Konfiguration durchgeführt werden können, ohne aus dem Schutzumfang oder Sinn des beanspruchten Gegenstandes zu weichen.
Selbstverständlich können die Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen verwendet werden, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen.

Claims

Winkelsensorgerät, umfassend: erste und zweite Magnetspuren (102, 104, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100), befestigt an einem drehbaren Gegenstand (220) und eingerichtet zum Erzeugen eines nichthomogenen Feldes (116, 118), wobei der drehbare Gegenstand (220) eingerichtet ist, sich um eine Drehachse (Z) zu drehen, und wobei das nichthomogene Feld (116, 118) einen kleineren Größengradienten entlang einer Drehrichtung als in einer lotrechten Richtung aufweist, die zur Drehrichtung lotrecht ist; eine außeraxial positionierte Sensorkomponente (106, 108, 224, 424, 524), eingerichtet zum Messen eines Magnetfeldes einschließlich des nichthomogenen Feldes (116, 118) und zum Bereitstellen von Magnetfeldmessungen; und eine Steuereinheit (110), eingerichtet zum Bestimmen von Winkelinformationen aus den Magnetfeldmessungen.
Gerät nach Anspruch 1, wobei ein relativ großes homogenes Feld nahe der Sensorkomponente (106, 108, 224, 424, 524) gelegen ist und die Steuereinheit (110) zum Filtern wenigstens eines Teils des homogenen Feldes (116, 118) eingerichtet ist.
Gerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste und zweite Magnet einen aus der Gruppe umfassend Dauermagnetwerkstoff und Weichmagnetwerkstoff ausgewählten Werkstoff umfassen.
Gerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der zweite Magnet in einer axialen Richtung von der ersten Magnetspur (102, 104, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100) verschoben ist.
Gerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der zweite Magnet in einer radialen Richtung von der ersten Magnetspur (102, 104, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100) verschoben ist.
Gerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Magneten sich auf einer die Drehachse (Z) umgebenden Fläche befinden, wobei die Fläche eine einer gekrümmten Oberfläche und einer flachen Oberfläche ist.
Gerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Magnetspuren (102, 104, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100) eine Spiegelsymmetrie zu einer Mittelebene aufweisen.
Gerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Magnetspuren (102, 104, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100) ein komplementäres Magnetisierungsmuster aufweisen, wobei magnetische Nordpole der ersten Magnetspur (102, 104, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100) magnetischen Südpolen der zweiten Magnetspur (102, 104, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100) entsprechen und magnetische Südpole der ersten Magnetspur (102, 104, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100) magnetischen Nordpolen der zweiten Magnetspur (102, 104, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100) entsprechen.
Gerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die erste Magnetspur (102, 104, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100) bei Drehung auf der Sensorkomponente (106, 108, 224, 424, 524) ein sinusförmiges Magnetfeld erzeugt.
Gerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die erste Magnetspur (102, 104, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100) die Drehachse (Z) umgibt.
Gerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Sensorkomponente (106, 108, 224, 424, 524) ein erstes Sensorelement (106, 108) und ein zweites Sensorelement (106, 108) getrennt durch einen relativ kleinen Betrag in einer Axialrichtung umfasst.
Gerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (110) eine Signalverarbeitungsschaltung, eingerichtet zum im Wesentlichen Beseitigen eines homogenen Feldes aus den Magnetfeldmessungen, umfasst, wobei die Signalverarbeitungsschaltung einen Analog-Digitalwandler (1210, 1316), eingerichtet zum Erzeugen digitaler Magnetkomponenten aus den bereitgestellten Magnetfeldmessungen, umfasst.
Gerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (110) einen ersten Magnetfeldwert an einer ersten Stelle und einen zweiten Magnetfeldwert an einer zweiten Stelle bestimmt, wobei die erste Stelle und die zweite Stelle sich innerhalb eines Gehäuses befinden und um einen Betrag in einer axialen und/oder radialen Richtung beabstandet sind.
Gerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die erste Magnetspur (102, 104, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100) einen ersten Teil und einen zweiten Teil umfasst und einen allgemein kreisförmigen Außenumfang aufweist, wobei der erste Teil eine erste Magnetisierungsrichtung aufweist und der zweite Teil eine zweite Magnetisierungsrichtung aufweist.
Gerät nach Anspruch 14, wobei die erste Magnetisierungsrichtung der zweiten Magnetisierungsrichtung entgegengesetzt ist.
Signalverarbeitungsschaltung, umfassend: erste und zweite Magnetspuren (102, 104, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100), befestigt an einem drehbaren Gegenstand (220) und eingerichtet zum Erzeugen eines nichthomogenen Feldes (116, 118), wobei der drehbare Gegenstand (220) eingerichtet ist, sich um eine Drehachse (Z) zu drehen, und wobei das nichthomogene Feld (116, 118) einen kleineren Größengradienten entlang einer Drehrichtung aufweist als in einer lotrechten Richtung, die zu der Drehrichtung lotrecht ist; ein erstes Sensorelement (106, 108), eingerichtet zum Bereitstellen von Werten erster Magnetfeldkomponenten des nichthomogenen Feldes (116, 118) für eine erste Stelle; ein zweites Sensorelement (106, 108), eingerichtet zum Bereitstellen von Werten zweiter Magnetfeldkomponenten des nichthomogenen Feldes (116, 118) für eine zweite Stelle, wobei sich die zweite Stelle von der ersten Stelle unterscheidet; einen Analog-Digitalwandler (1210, 1316), eingerichtet zum Erzeugen von Werten erster und zweiter digitaler Magnetfeldkomponenten aus den Werten erster und zweiter Magnetfeldkomponenten; und eine differentiale Signalverarbeitungseinheit (1214), eingerichtet zum Ausfiltern eines homogenen Feldes aus den ersten und zweiten digitalen Komponenten.
Schaltung nach Anspruch 16, wobei das erste Sensorelement (106, 108) eines einer Gruppe eines magnetoresistiven Elements, einer Hall-Platte und eines Vertical-Hall-Effekt-Geräts ist.
Schaltung nach Anspruch 16 oder 17, wobei die differentiale Signalverarbeitungseinheit (1214) weiterhin eingerichtet ist zum Erzeugen von Winkelinformationen entsprechend den ersten und zweiten Feldkomponenten für den drehbaren Gegenstand (220).
Verfahren zum Betreiben eines außeraxialen Magnetsensors, wobei das Verfahren umfasst: Einrichten erster und zweiter Magnetspuren (102, 104, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100) um einen drehbaren Gegenstand (220) zum Erzeugen eines nichthomogenen Magnetfelds (116, 118) bei Drehung, wobei das nichthomogene Magnetfeld einen kleineren Größengradienten entlang einer Bewegungsrichtung als einer lotrechten Richtung umfasst, die zur Bewegungsrichtung lotrecht ist; Erhalten von ersten Magnetfeldkomponenten an einer ersten Stelle außeraxial von dem drehbaren Gegenstand (220); Erhalten von zweiten Magnetfeldkomponenten an einer zweiten Stelle außeraxial von dem drehbaren Gegenstand (220), wobei die zweite Stelle von der ersten Stelle um einen Betrag beabstandet ist; und differentiales Verarbeiten der ersten und zweiten Magnetfeldkomponenten zum Entfernen eines Störungsfeldes und zum Erzeugen von Winkelinformationen für den drehbaren Gegenstand (220).
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Einrichten der ersten und zweiten Magnetspuren (102, 104, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100) Verändern von Spurmerkmalen umfassend wenigstens eines aus einer Gruppe umfassend Spurbreite, Spurstärke und Beabstandung zwischen den ersten und zweiten Magnetspuren (102, 104, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Betrag wenigstens eines einer Axialrichtung und einer Radialrichtung ist.