DE102017110197A1

DE102017110197A1 - Außeraxiale Magnetfeld-Winkelsensoren

Info

Publication number: DE102017110197A1
Application number: DE102017110197.7A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner; Mario Motz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-05-12
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2017-11-16
Also published as: CN107389100A

Abstract

Ausführungsformen beziehen sich auf Magnetfeld-Winkelerfassungssysteme und -verfahren. In einer Ausführungsform umfasst ein Magnetfeld-Winkelerfassungssystem, das dazu ausgelegt ist, eine Rotationsposition einer Magnetfeldquelle um eine Achse zu bestimmen, N Sensoreinrichtungen, die in einem Kreis angeordnet sind, der konzentrisch zu einer Achse ist, wobei N > 1 und die Sensoreinrichtungen voneinander um etwa (360/N) Grad entlang des Kreises beabstandet sind, wobei jede Sensoreinrichtung eine Magnetfeld-Erfassungseinrichtung mit einer Empfindlichkeitsebene umfasst, die wenigstens eine Bezugsrichtung der Magnetfeld-Erfassungseinrichtung umfasst, wobei die Magnetfeld-Erfassungseinrichtung gegenüber einer Magnetfeldkomponente in der Empfindlichkeitsebene empfindlich ist und dazu ausgelegt ist, ein Signal bereitzustellen, das zu einem Cosinus bzw. Sinus eines Winkels zwischen der Bezugsrichtung und dem Magnetfeld in der Empfindlichkeitsebene in Bezug steht; und die Schaltungsanordnung, die mit den N Sensoreinrichtungen gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, ein Signal bereitzustellen, das eine Rotationsposition einer Magnetfeldquelle um die Achse angibt, die durch Kombinieren der Signale aus den Magnetfeld-Erfassungseinrichtungen der N Sensoreinrichtungen bestimmt worden ist, wobei die Schaltungsanordnung dazu ausgelegt ist, (i) das Signal der N Sensoreinrichtungen als Winkelwerte zu interpretieren, (ii) ganzzahlige Vielfache, die äquivalent zu 360° sind, zu ausgewählten der N Winkelwerte zu addieren, damit sie wenigstens eine monoton steigende oder fallende Sequenz aller N korrigierten Werte in einer einzigen Uhrzeiger- oder Gegenuhrzeigerrichtung von Winkelpositionen jeweiliger der N Sensoreinrichtungen ergeben, und (iii) diese korrigierten Werte zu mitteln.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Magnetfeldsensoren und insbesondere auf außeraxiale Magnetfeld-Winkelsensoren.
Magnetfeldsensoren können verwendet werden, um einen Rotationswinkel einer Welle oder eines anderen Objekts zu erfassen. Zum Beispiel kann ein Magnet an der Welle montiert sein, so dass er mit der Welle rotiert, und ein Magnetfeldsensor kann benachbart zum Magneten angeordnet sein, um ein Magnetfeld zu erfassen, das vom Magneten induziert wird, wenn er mit der Welle rotiert. Wenn der Magnetfeldsensor in der Nähe der oder angrenzend an die Welle montiert ist, d. h. außerhalb der Rotationsachse der Welle, kann der Sensor als ein außeraxialer Magnetfeld-Winkelsensor bezeichnet werden. Außeraxiale Magnetfeld-Winkelsensoren werden häufig umgesetzt, wenn das Ende der Welle als eine Position für den Sensor nicht verfügbar ist oder wenn einfach nicht genug Raum an der Welle verfügbar ist.
In vielen Anwendungen können im Allgemeinen Magnetfeld-Winkelsensoren, einschließlich außeraxialen Magnetfeld-Winkelsensoren, als preiswert und nicht komplex bevorzugt werden, während sie gegenüber externen Magnetfeldern und anderen Störeinflüssen auch robust sind, in der Lage sind, Baugruppentoleranzen zu berücksichtigen, und mit einer Bandbreite von Magneten kompatibel sind, einschließlich großen Magneten, die inhomogen magnetisiert sind. Ein Nachteil einiger konventioneller Ansätze ist danach eine Anforderung von wenigstens zwei Sensorsubstraten mit Sensorelementen mit der gleichen magnetischen Empfindlichkeit. Die erforderliche abgestimmte magnetische Empfindlichkeit ist schwierig zu erreichen und in Kombination mit dem Bedarf an mehreren Sensorsubstraten teurer in der Produktion. Es ist eine Aufgabe, hierzu Möglichkeiten bereitzustellen.
Kurzfassung
Es werden ein System nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 9 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen. Das System kann zur Durchführung eines der beanspruchten Verfahren eingerichtet sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird in Anbetracht der folgenden ausführlichen Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen möglicherweise vollständiger verstanden werden, wobei:
1 eine Draufsicht eines Teils eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
2A eine grafische Darstellung einer Halbbrückenschaltung gemäß einer Ausführungsform ist.
2B ein Blockschaltbild einer Die-Anordnung gemäß einer Ausführungsform ist.
2C eine grafische Darstellung einer Halbbrückenschaltungskonfiguration gemäß einer Ausführungsform ist.
2D eine grafische Darstellung einer Vollbrückenschaltung gemäß einer Ausführungsform ist.
3A ein Blockschaltbild eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
3B ein Blockschaltbild eines Sensorsystemsignalflusses gemäß einer Ausführungsform ist.
4A eine schematische Draufsicht eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
4B eine schematische Draufsicht eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
4C eine schematische Draufsicht eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
5A eine seitliche Querschnittsansicht eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
5B eine schematische Draufsicht eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
5C eine schematische Draufsicht eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
5D eine schematische Draufsicht eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
6A eine schematische Draufsicht eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
6B eine schematische Draufsicht eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
7A eine perspektivische Ansicht eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
7B eine seitliche Querschnittsansicht des Sensorsystems aus 7A ist.
7C eine Draufsicht eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
8A eine perspektivische Ansicht eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
8B eine Seitenansicht des Sensorsystems aus 8A ist.
9A eine perspektivische Ansicht einer Sensorsystembaugruppe gemäß einer Ausführungsform ist.
9B eine perspektivische Ansicht einer Sensorsystembaugruppe gemäß einer Ausführungsform ist.
10 eine perspektivische Ansicht eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
Obwohl die Erfindung für verschiedene Modifikationen und alternative Formen offen ist, sind ihre Besonderheiten beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt worden und werden ausführlich beschrieben werden. Es versteht sich allerdings, dass nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf die beschriebenen bestimmten Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegenteil soll die Erfindung alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abdecken, die im Gedanken und Schutzbereich der Erfindung liegen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
Ausführliche Beschreibung
Ausführungsformen beziehen sich auf Magnetfeld-Winkelsensoren, Systeme und Verfahren. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Magnetfeld-Winkelsensor einen Magneten, der um eine Rotationsachse drehbar ist, und wenigstens ein Magnetfeldsensorelement, das außeraxial von (z. B. nicht in einer Linie mit), aber in der Nähe der Rotationsachse angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen kann das wenigstens eine Magnetfeldsensorelement ein magnetoresistives Sensorelement (XMR-Sensorelement), ein Hall-Effekt-Sensorelement oder irgendein anderes Magnetfeldsensorelement umfassen.
Mit Bezug auf 1: Eine Ausführungsform eines Magnetfeld-Winkelerfassungssystems 100 wird in einer Draufsicht gezeigt. Das System 100 umfasst eine Magnetfeldquelle, wie zum Beispiel einen Magneten 110, und wenigstens eine Sensoreinrichtung 120. In einigen Ausführungsformen umfasst das System 100 N > 1 Sensoreinrichtungen, wie zum Beispiel N ≥ 3 oder N ≥ 5, in verschiedenen Ausführungsformen, wie nachstehend ausführlicher erörtert wird. Obwohl in der Ausführungsform von 1 die wenigstens eine Sensoreinrichtung 120 in einem radialen Abstand angeordnet ist, der größer als der Radius des Magneten 110 ist, kann/können in anderen Ausführungsformen die Sensoreinrichtung(en) 120 näher an der Rotationsachse als am Radius des Magneten 110 angeordnet sein.
Der Magnet 110 ist um eine Rotationsachse z drehbar, die in die Seite hinein bzw. aus ihr heraus verläuft, wie in 1 gezeigt wird. In einigen Ausführungsformen ist der Magnet 110 um die z-Achse rotationssymmetrisch, wie zum Beispiel in der gezeigten Ausführungsform. Der Magnet 110 kann im Allgemeinen zylindrisch sein, obwohl der Magnet 110 in anderen Ausführungsformen eine Scheibe, einen Torus, einen Kegelstumpf, eine Kugel, ein Rotationsellipsoid oder irgendeine andere rotationssymmetrische Form umfassen kann. In noch weiteren Ausführungsformen kann der Magnet 110 nicht rotationssymmetrisch sein und z. B. einen Block oder eine andere Form umfassen, obwohl solche Ausführungsformen in Bezug auf andere Ausführungsformen reduzierte Genauigkeit aufweisen können, was aber in einigen Situationen oder Anwendungen nichtsdestotrotz zulässig sein kann. In einigen Ausführungsformen ist der Magnet 110 so an einer Welle, die in einigen Ausführungsformen eisenhaltig oder nichteisenhaltig sein kann, so dass sich ihre Permeabilität μr von etwa 1 bis etwa 100.000 erstrecken kann, montiert oder auf andere Weise befestigt (in 1 nicht dargestellt), dass er mit ihr rotiert.
Der Magnet 110 ist in einigen Ausführungsformen diametral magnetisiert, wie zum Beispiel in der in 1 gezeigten Richtung Ψ₀, die mit dem Magneten 110 rotiert. Somit kann das von dem in einer Ausführungsform so magnetisierten Magneten 110 induzierte Magnetfeld beschrieben werden durch: B_R = B ^_Rcos(ψ – ψ₀) und B_ψ = B ^_ψsin(ψ – ψ₀) wobei die Amplituden B ^_R und B ^_ψ unterschiedliche Werte und/oder unterschiedliche Vorzeichen aufweisen können, je nach der radialen Position R und der Axialposition z des Prüfpunkts, die die Position der Sensoreinrichtung 120 ist, wie in 1 veranschaulicht wird. Die azimutale Koordinate des Prüfpunkts ist ψ.
Allgemeiner gesagt: Der Magnet 110 kann eine Magnetisierung aufweisen gemäß: M → = M_scos(pψ)n →_R – M_ssin(pψ)n →_ψ = M_scos((p – 1)ψ)n →_x – M_ssin((p – 1)ψ)n →_y wobei M die Größe des Magnetisierungsvektors ist und p die ganze Anzahl an Polpaaren ist und negativ sein kann. Für p = 1 stellt dies eine diametrale Magnetisierung in der x-Richtung bereit. Diese Art von Magnetisierung kann als Halbach-Magnetisierung bezeichnet werden, die ein Magnetfeld mit sinusförmiger Änderung über der azimutalen Koordinate erzeugen kann. Wenn die Periode kleiner als 360° ist, können diese Magnete immer noch für Winkelsensoren mit kleineren Winkelbereichen verwendet werden. Zum Beispiel ist die Periode für p = 2 180°, und solch ein Magnet kann für einen Winkelsensor mit einem vollen Bereich von weniger als oder gleich 180° verwendet werden.
Wenigstens eine Sensoreinrichtung 120 kann in einigen Ausführungsformen ein oder mehrere magnetoresistive Sensorelemente (MR-Sensorelemente), Hall-Effekt-Sensorelemente oder einige andere geeignete Magnetfeld-Sensorelemente umfassen. In einigen Ausführungsformen umfasst die Sensoreinrichtung 120 wenigstens ein Starkfeld-MR-Sensorelement und kann in verschiedenen Ausführungsformen einen anisotropen Magnetowiderstand (AMR), einen Riesenmagnetowiderstand (GMR), einen Tunnelmagnetowiderstand (TMR) und/oder einen kolossalen Magnetowiderstand (CMR) umfassen. Im Allgemeinen sind MRs dünne Strukturen mit zwei seitlichen Abmessungen, die eine Empfindlichkeitsebene definieren und viel größer als die dritte Abmessung (Stärke oder Tiefe) sind. MRs sprechen auf die Projektion oder Komponente des Magnetfelds in dieser Empfindlichkeitsebene an, das Feld in der Ebene (in-plane). Ein „Starkfeld”-MR ist einer, bei dem der Widerstand eine Funktion des Cosinus des Magnetwinkels ist (d. h. des Winkels zwischen dem Magnetfeld in der Ebene und einer Bezugsrichtung parallel zur Empfindlichkeitsebene), und der unabhängig von der Stärke des Magnetfels in der Ebene ist (d. h. der Projektion des Magnetfeldvektors auf die Empfindlichkeitsebene, die durch Subtraktion der zur Empfindlichkeitsebene senkrechten Magnetfeldkomponente vom Magnetfeldvektor ermittelt werden kann), wenigstens in großen Bereichen, wie zum Beispiel von etwa 10 mT bis etwa 200 mT. Im Gegensatz dazu sind Schwachfeld-MRs MRs, bei denen sich der Widerstand signifikant verändert, falls die Richtung des angelegten Magnetfelds konstant ist und sich nur die Stärke ändert.
Bei AMRs ist die Bezugsrichtung die gleiche wie die Richtung des Stromflusses durch den Magnetowiderstand. Somit wird ein AMR mit einer Bezugsrichtung n →_η, die durch Barber-Pole definiert ist, modelliert durch: R_AMRη = R₀(1 + h[cos ∠ (B →_Rn →_R + B ^_ψn →_ψ, n →_η)]²) wobei h klein ist, z. B. etwa 0,03 in einer Ausführungsform, und wobei ∠ (a →, b →) den Winkel zwischen den Vektoren a → und b → bezeichnet. B ^_Rn →_R + B ^_ψn →_ψ ist das Magnetfeld in der Ebene. Die Empfindlichkeitsebene ist parallel zu allen drei Vektoren n →_R, n →_ψ, n →_η. Bei GMRs, TMRs und CMRs ist die Bezugsrichtung zum Beispiel durch die Richtung der Magnetisierung in der harten magnetischen Bezugsschicht definiert, die auch als die gepinnte Schicht oder Vormagnetisierung bezeichnet wird. GMRs und TMRs mit der Bezugsrichtung n →_η können modelliert werden durch R_MRη = R₀(1 + hcos ∠ (B ^_Rn →_R + B ^_ψn →_ψ, n →_η))
Bei GMRs ist h typischerweise eine kleine Zahl, wie zum Beispiel etwa 0,05; bei TMRs ist h größer, wie zum Beispiel etwa 0,5 in einer Ausführungsform.
Auch mit Bezug auf 2A: In einigen Ausführungsformen umfasst wenigstens eine Sensoreinrichtung 120 eine Halbbrückenschaltung 200. Die Halbbrückenschaltung 200 umfasst zwei MR-Elemente 210 und 220, die jeweils eine gepinnte Schicht aufweisen und die zwischen einer Versorgungsspannung Vsupply und einer Bezugsspannung, wie zum Beispiel Masse, in Reihe gekoppelt sind, wodurch sie eine Spannungsteilerschaltung bilden. Die MR-Elemente 210 und 220 weisen antiparallele Bezugsrichtungen, –x und +x, auf, wie in 2A veranschaulicht ist. Hier wird die Empfindlichkeitsrichtung durchgehend in Bezug auf das lokale Bezugssystem (x, y, z) beschrieben, falls auf eine Sensoreinrichtung Bezug genommen wird, wie zum Beispiel auf die MR-Elemente 210 und 220. Ein anderes globales kartesisches Bezugssystem (x, y, z) oder ein äquivalentes globales kreiszylindrisches Bezugssystem (z. B. R, psi, z) kann verwendet werden, um die Positionen der Prüfpunkte und der Magnetfeldkomponenten zu definieren, die auf die Magnetfeld-Erfassungseinrichtungen wirken (z. B. die MR-Elemente 210 und 220).
In einer Ausführungsform sind die MR-Elemente 210 und 220 identisch oder fast identisch, da sie in den elektrischen und magnetischen Parametern eng übereinstimmen, mit Ausnahme ihrer Bezugsrichtungen. Ein Weg, um dies zu erreichen, ist es, dass die Elemente 210 und 220 gemeinsam, z. B. zeitgleich, nach den gleichen Herstellungsprozessen und -abfolgen hergestellt werden. Somit wird in einigen Ausführungsformen und auch mit Bezug auf 2B die Halbbrückenschaltung 200 auf einem einzelnen Die 230 nach der Vereinzelung des größeren Substrats (z. B. Silicium- oder Glaswafer oder eine andere Struktur) angeordnet. In einigen Ausführungsformen können auch eine oder mehrere zusätzliche Halbbrückenschaltungen und/oder andere Elemente, wie zum Beispiel Vorverstärker, Schnittstellenschaltungen oder eine andere Schaltungsanordnung, auf dem Die 230 angeordnet werden.
Während des Betriebs wird die Versorgungsspannung Vsupply an die in Reihe gekoppelten Elemente 210 und 220 angelegt, und ein Potenzial am gemeinsamen Knoten zwischen den Elementen 210 und 220 wird als die Ausgangsspannung Voutx abgegriffen:
Dann ist es, auch mit Bezug auf 2C, wenn eine Halbbrücke 200 und ein Spannungsteiler 202 vorhanden sind, weiterhin möglich, Vsupply/2 von Voutx zu subtrahieren:
Das normalisierte Signal kann ebenfalls verwendet werden: S ~_x = V ~_x/(hV_supply) – 0,5 × cos ∠ (B →_in-plane, n →_x)
Falls ein Sensorsystem mehrere Halbbrückenschaltungen umfasst, ist in einigen Ausführungsformen nur ein einziger Spannungsteiler (z. B. 202) nötig und dieser muss sich nicht an einem bestimmten Prüfpunkt befinden. Das normalisierte Signal S ~_x ist geeignet, den Cosinus des Magnetfeldwinkels eindeutig oder zweifelsfrei zu bestimmen, wobei der Magnetwinkel oben als der Winkel zwischen dem Magnetfeld in der Ebene B →_in-plane und der Bezugsrichtung n →_x definiert worden ist. Das normalisierte Signal S ~_x allerdings nicht geeignet, den Magnetwinkel eindeutig oder zweifelsfrei zu bestimmen, weil die Umkehrfunktion des Cosinus über eine volle Umdrehung von 360 Grad keine eindeutige Funktion ist. Im Folgenden wird gezeigt, wie die Signale S ~_x, die an mehreren Prüfpunkten um die Rotationsachse abgetastet worden sind, kombiniert werden, um die Winkelposition des Magneten nachzuvollziehen, obwohl dieser Winkel im Allgemeinen nicht aus dem Signal S ~_x in irgendeinem einzelnen Prüfpunkt alleine hergeleitet werden kann.
Dann können, auch mit Bezug auf 2D, die beiden Halbbrücken 200a und 200b kombiniert werden, um eine Vollbrückenschaltung 201 zu bilden, für die Vx bestimmt werden kann, gemäß: V_x = V ~_x – (–V ~_x) = V_supplyhcos ∠ (B →_in-plane, n →_x)
Wieder kann auch das normalisierte Signal verwendet werden: S_x = V_x/(hV_supply) = cos ∠ (B →_in-plane, n →_x)
Die Vollbrückenschaltung 201 kann die Ausgangsspannung im Vergleich zu einer einzelnen Halbbrücke verdoppeln, erfordert im Allgemeinen aber auch zweimal so viel Platz und kann zusätzliche Verdrahtung oder Verbindungen erfordern, um ausgelesen zu werden, vorausgesetzt, dass die Vollbrücke 201 zwei Ausgänge, Output(+) und Output(–), aufweist, im Vergleich zu dem einzelnen Output der Halbbrückenschaltung 200, wie z. B. in 2A. Die Halbbrücken 200a und 200b der Vollbrückenschaltung 201 sind in einigen Ausführungsformen am gleichen Prüfpunkt angeordnet. Halbbrückenschaltungen werden hier möglicherweise im Allgemeinen mit dem Wissen erörtert, dass sie durch Vollbrücken ersetzt oder substituiert werden können, wie Fachleute verstehen werden.
Wieder mit Bezug auf 1: Es wird eine Sensoreinrichtung 120 an einem einzelnen Prüfpunkt (z. B. relative Anordnung der Sensoreinrichtung 120 und des Magneten 110 um die Achse z) gezeigt, obwohl in einigen Ausführungsformen mehrere Sensoreinrichtungen 120 an mehreren Prüfpunkten verwendet werden. Zum Beispiel und jetzt auch mit Bezug auf das Sensorsystem 400 aus 4A werden in einer Ausführungsform wenigstens drei Prüfpunkte 0, 1 und 2 verwendet, so dass wenigstens drei Sensoreinrichtungen 120 umgesetzt werden. Die erstgenannte Anordnung, bei der ein Sensorelement 120 an jedem Prüfpunkt angeordnet ist (z. B. ist N eine Anzahl von Prüfpunkten und ist ≥ 3, und das Sensorsystem umfasst N = 3 Sensorelemente 120), wird hier im Allgemeinen erörtert, wie in 4A gezeigt ist, obwohl in anderen Ausführungsformen andere Anordnungen verwendet werden können.
In einigen Ausführungsformen wird auch angenommen, dass das Magnetfeld an den MR-Elementen 210 und 220 jede Sensoreinrichtung 120 im Wesentlichen homogen ist, angesichts ihrer geringen Größe und unter Berücksichtigung, dass die Elemente 210 und 220 viel kleiner als der Magnet 110 sind.
Zum Beispiel sind in einer Ausführungsform die Elemente 210 und 220 etwa 0,05 mm² groß, wohingegen der Magnet 110 (in die Richtung der Rotationsachse z gesehen) wenigstens etwa 500 Mal größer ist (die Abbildung in 4A und an anderer Stelle ist zur Veranschaulichung nicht notwendigerweise maßstabsgetreu). Mit anderen Worten: Der Zwischenraum zwischen den Sensoreinrichtungen 120 ist signifikant größer als der Zwischenraum zwischen Elementen 210, 220 der gleichen Halbbrücke, so dass beide Elemente 210, 220 einer Halbbrücke im Allgemeinen das gleiche Magnetfeld erfahren, während Elemente unterschiedlicher Einrichtungen 120 unterschiedliche Felder erfahren. Obwohl der geringe Zwischenraum zwischen den Elementen 210, 220 einer einzelnen Halbbrücke dazu führen kann, dass diese Elemente leicht unterschiedliche Felder erfahren, können alle resultierenden Winkelfehler behandelt werden.
Die mehreren Sensorelemente 120 sind in einer Ausführungsform gleichmäßig und/oder gleichförmig um die z-Achse beabstandet, z. B. bei 360°/N, und der radiale Abstand von jedem Prüfpunkt (z. B. der Abstand zwischen der Rotationsachse z und dem Prüfpunkt) ist etwa gleich. Somit ist in einer Ausführungsform, die drei Sensorelemente 120_0, 120_1 und 120_2 umfasst, etwa alle 120° um die z-Achse ein Sensorelement auf einem Ablesekreis, der konzentrisch zur Rotationsachse ist, angeordnet. Solch eine Konfiguration wird in 4A gezeigt. In einigen Ausführungsformen ist ein Durchmesser des Ablesekreises so bemessen, dass die Rotationsachse keinen Die der Sensorelemente 120_0, 120_1 und 120_2 kreuzt; mit anderen Worten: Ein Durchmesser des Ablesekreises, auf dem die Prüfpunkte angeordnet sind, ist größer als ein Durchmesser des Magneten 110. In anderen Ausführungsformen können sich die Prüfpunkte innerhalb des Außendurchmessers des Magneten 110 befinden, jedoch immer noch in einem ausreichenden radialen Abstand angeordnet sein, so dass die Welle an der Rotationsachse, an der der Magnet 110 montiert ist, nicht behindert wird. Mit anderen Worten:
Die Sensorelemente 120_0, 120_1 und 120_2 bleiben im Allgemeinen außeraxiale Sensorelemente, im Gegensatz zu axialen Sensorelementen.
Weiterhin sind in einigen Ausführungsformen die Prüfpunkte 0, 1 und 2 in einer Ebene angeordnet, die senkrecht zur Rotationsachse z ist. Die Ebene ist eine (R, Y)-Ebene mit einem kreiszylindrischen Bezugssystem oder eine (x, y)-Ebene mit einem kartesischen Koordinatensystem.
Zusätzlich berechnet das Sensorsystem 400 in einigen Ausführungsformen endliche Summen, wie zum Beispiel:
wobei S ~_a(ψ^(m)) Signale sind, die an äquidistanten azimutalen Winkeln ψ^(m) = 27 πm/N abgetastet worden sind, und der Index a die Bezugsrichtung a → der MRs bezeichnet. Allgemein gesagt:
Dies ist eine lineare Kombination mit komplexwertigen Gewichtungsfaktoren exp(2πjmn/N), wobei j die imaginäre Einheit ist. Dies kann auch als eine komplexwertige diskrete Fourier-Transformation der N abgetasteten Daten S ~_a(ψ^(m)) gesehen werden. Anstelle einer einzelnen komplexwertigen Summe kann ein Satz aus zwei reellwertigen Summen verwendet werden:
In Ausführungsformen, bei denen eine große Anzahl von Prüfpunkten verwendet wird, konvergiert dies zum Integral
das numerisch durch eines von vielen Quadraturschemata berechnet werden kann (z. B. unter anderem der Simpson-Regel oder der Gauß-Quadratur). Zum Beispiel kann ein Quadraturschema mit nicht äquidistanten Abtastpunkten gewählt werden, so dass in einigen Ausführungsformen die Prüfpunkte im System 400 nicht äquidistant sein müssen (obwohl sie das in einigen Ausführungsformen sind oder sein können, weil regelmäßig beabstandete Prüfpunkte die Genauigkeit des Systems verbessern können, einschließlich in Bezug auf den nötigen Rechen- oder anderen Aufwand). Zusätzlich kann die Funktion arctan2{x, y} verwendet werden, die im Allgemeinen definiert ist als:
wobei ganze Vielfache von 2π addiert werden, bis das Ergebnis im Intervall [0 rad, 2π rad) oder [0°, 360°) liegt. Dies ist äquivalent zum Winkel zwischen n →_x und xn →_x + yn →_y.
Somit umfasst im System 400 jeder Prüfpunkt 0, 1 und 2 eine Halbbrücke 200_0, 200_1 und 200_2 mit einer Bezugsrichtung a → parallel zur (R, Ψ)-Ebene. In einigen Ausführungsformen kann die Bezugsrichtung die gleiche sein wie n →_R oder n →_ψ. Die N = 3 Prüfpunkte sind an azimutalen Positionen ψ^(m) = ψ⁽⁰⁾, ψ⁽⁰⁾ + 360°/N, ψ⁽⁰⁾ + 2 × 360°/N, ... angeordnet, wie gezeigt wird. Während des Betriebs tastet das System 400 die Signale S ~_a(ψ^(m)) für m = 1 ... N – 1 ab, hergeleitet aus den Halbbrücken 200_0, 200_1 und 200_2 mit den Bezugsrichtungen a →.
In einigen Ausführungsformen können das hier erörterte Abtasten, die Bestimmungen und Berechnungen von einer Steuerung oder einer anderen Schaltungsanordnung ausgeführt werden, die Teil der Halbbrücken 200_0, 200_1 und 200_2 bilden oder auf andere Weise mit ihnen gekoppelt sind. Eine Ausführungsform wird in 3A gezeigt, in der die Schaltungsanordnung 410 Teil des Systems 400 und mit wenigstens einer Sensoreinrichtung 120_0, 120_1 und 120_n gekoppelt ist, obwohl in einigen Ausführungsformen mehr oder weniger Sensoreinrichtungen und/oder Halbbrücken oder andere Sensorschaltungen im System 400 umgesetzt sein können. Die Schaltungsanordnung 410 kann Steuerung, Bewertung, Signalkonditionierung und/oder eine andere Schaltungsanordnung umfassen und eine zweckgebundene Schaltungsanordnung sein, oder sie kann einen Teil eines anderen Systems oder einer anderen Komponente umfassen (z. B. einer elektronischen Steuereinheit, ECU, bei Automobil- oder anderen Anwendungen). Das System 400 kann auf oder in mehreren Dies oder Baugruppen angeordnet sein, und die verschiedenen Komponenten (von denen nicht alle im vereinfachten Blockschaltbild in 3A gezeigt werden) können elektrisch, kommunizierend und/oder funktionell miteinander gekoppelt sein, wie es für irgendeine gegebene Anwendung oder Umsetzungsform geeignet oder passend ist, so wie Fachleute verstehen werden, dass diese Anordnungen variieren.
In einigen Ausführungsformen kann die Schaltungsanordnung 410 N Signale abtasten, in einer Ausführungsform gleichzeitig. Somit kann die Schaltungsanordnung 410 N Eingangskanäle mit einer Abtast-und-Halte-Schaltungsanordnung umfassen. Sobald die N Signale abgetastet worden sind, kann die Schaltungsanordnung 410 sie unmittelbar verarbeiten oder sie zur Verarbeitung, z. B. bis zum nächsten Taktzyklus, halten, wenn wieder N Signale abgetastet werden. Falls die Systemressourcen begrenzt sind, ist es auch möglich, die N Signale nacheinander abzutasten, wie zum Beispiel in einigen Ausführungsformen in einer Abtastsequenz im Uhrzeigersinn, im Gegenuhrzeigersinn oder gemäß irgendeinem anderen, nicht willkürlichen Schema, zum Beispiel in einer Ausführungsform in der Rotationsrichtung des Magneten.
Im Anschluss an das vorher genannte Abtasten kann die Schaltungsanordnung 410 Folgendes berechnen, bei dem es sich um eine Summe komplexer Zahlen handelt, was aber auch als Kürzel von zwei Summen über reellwertigen Zahlen gesehen werden kann:
für n = 0, 1, ..., N – 1 mit der imaginären Einheit j = √ – 1. Die Grundfrequenz dieser diskreten Fourier-Transformation σ_a,1 (n = 1) stellt den dominanten Teil des Felds des Magneten 110 dar, wohingegen das Mittel (n = 0) und die höheren Harmonischen (n > 1) durch Nichtidealitäten verursacht werden, wie zum Beispiel magnetische Hintergrundstörungen, außermittige Montage des Magneten 110 oder der Sensoren 200 gegenüber der Rotationsachse, Sensorfehler, Magnetfehler (z. B. Abweichung von räumlichen Sinusfeldern) und andere. Somit berechnet das Sensorsystem 400 im Allgemeinen nur die Grundfrequenz, wobei das Verhältnis ihrer reellen und imaginären Teile die Tangente der geschätzten Rotationsposition des Magneten 100 bereitstellt, gemäß: ψ'_0,a = arctan₂{Re[σ_a,1}, Im{σ_a,1}}
Hier bezeichnen die Winkel mit Strichindex Winkelschätzwerte; somit können sie Winkelfehler enthalten. Umgekehrt bezeichnen Winkel ohne Strichindex die exakten geometrischen Winkel.
Mit anderen Worten: Die Schaltungsanordnung 410 kann dazu ausgelegt sein, eine Winkelposition des Magneten 110 durch Kombinieren von Signalen aus den Sensoreinrichtungen in Bezug auf das Magnetfeld, das vom Magneten 110 induziert und von den Halbbrückenschaltungen 200 abgetastet wird, zu schätzen. Dadurch kann das Signal jeder Sensoreinrichtung eindeutig und/oder zweifelsfrei den Cosinus des Magnetwinkels an der Position der Sensoreinrichtung bestimmen. Das Kombinieren von Signalen aus den mehreren Sensoreinrichtungen umfasst zwei reellwertige gewichtete Summationen über die Signale, wobei die Gewichte einer ersten Summe proportional zum Sinus der azimutalen Positionen der jeweiligen Sensoreinheiten sind und die Gewichte einer zweiten Summe proportional zum Cosinus der azimutalen Positionen der jeweiligen Sensoreinheiten sind. Außerdem umfasst das Kombinieren auch die arctan₂-Operation (oben) auf beiden Summen.
Auch mit Bezug auf 3B: Eine Sensoreinrichtung kann eine Halbbrückenschaltung, z. B. eine GMR-Halbbrückenschaltung umfassen, die eine Ausgangsspannung
aufweist, wie oben erörtert wird. Die Schaltungsanordnung 410 kann dieses Signal empfangen und in einigen Ausführungsformen wenigstens eine Vorkonditionierungsoperation vor dem Bestimmen einer Summe der Signale aus den mehreren Halbbrückenschaltungen oder anderen Sensoreinrichtungen und letztlich der Winkelposition des Magneten durchführen. In einer Ausführungsform kann die Schaltungsanordnung 410 zuerst Vsupply/2 subtrahieren, um die große Gleichtaktspannung des Halbbrückenausgangs zu reduzieren oder zu entfernen. In der Praxis kann immer noch ein geringer Offset vorhanden sein, der durch Fehlanpassung zwischen den MRs in irgendeiner Halbbrücke verursacht wird. In einigen Ausführungsformen kann die Schaltungsanordnung 410 einen Speicher umfassen, in dem dieser Offset gespeichert werden soll, oder der Offset kann während des Betriebs bestimmt werden, z. B. nach einer oder mehr Umdrehungen des Magneten, indem einfach das Mittel der maximalen und der minimalen Ausgangsspannung verwendet wird. Somit kann der Offset identifiziert und vom Signal subtrahiert werden.
Die Amplitude des Signals ist h·Vsupply, wobei der Term „h” der Verarbeitungsstreuung und der Teil-Teil-Fehlanpassung unterliegt. Dieser Term wird auch häufig in einem Speicher gespeichert oder während vorhergehender Umdrehungen beobachtet (d. h. einfach durch Berechnen von maximaler minus minimaler Ausgangsspannung anhand der Ausgangssignale aller Sensoreinheiten). Folglich kann die Schaltungsanordnung 410 alle Signale von der Amplitude h·Vsupply auf 1 normalisieren. Außerdem unterliegen die Bezugsrichtungen der Halbbrücken Toleranzen, die durch Fluchtungsfehler verursacht werden können, wenn die gepinnten Schichten von MRs in der Produktion magnetisiert werden, jedoch können sie auch durch Platzierungstoleranzen der Sensor-Dies um die Rotationsachse verursacht werden. Das Sensorsystem kann diese Baugruppenfehler auch aus vorherigen Offline- oder Online-Kalibrierungsdurchläufen kennen und die Signale demgemäß manipulieren.
Schließlich kommt die Schaltungsanordnung 410 zu einem Satz normalisierter Signale. Die Summen
können dann mit diesen normalisierten Signalen S ~_a(ψ^(m)) berechnet werden.
Das System 400 in 4A umfasst N = 3 Prüfpunkte, obwohl andere Ausführungsformen mehr oder weniger umfassen können. Zum Beispiel können einige Ausführungsformen eine gerade Anzahl von Prüfpunkten umfassen, wie z. B. in 4B gezeigt wird, und in diesen Ausführungsformen können zwei diametral entgegengesetzte Halbbrücken 200a und 200b gemeinsam in einem System 401 gruppiert sein, und eine Differenz der Ausgangsspannungen dazwischen kann abgegriffen werden. Dies ist ähnlich wie bei einer Vollbrücken-Schaltungskonfiguration (siehe z. B. 2D), mit der Ausnahme, dass sich die Halbbrückenschaltungen 200a und 200b an unterschiedlichen Positionen befinden.
4B zeigt auch eine andere Bezugsrichtung für die Halbbrückenschaltungen 200a und 200b. Hier ist die Bezugsrichtung parallel und antiparallel zur Tangentialrichtung, wohingegen sie in 4A parallel und antiparallel zur Radialrichtung ist. In einigen Ausführungsformen kann die Bezugsrichtung willkürlich sein, und sie könnte auch mit der x-Achse in 4B für alle Sensoreinrichtungen ausgerichtet sein. Im Vergleich der 4A und 4B weisen die Sensoreinrichtungen die Bezugsrichtungen ±n →_R und ±n →_ψ auf. Aufgrund der Gleichheit cos ∠ (B →_in-plane, n →_R) = sin ∠ (B →_in-plane, n →_ψ) sind die normalisierten Signale der Sensoreinheiten in 4A proportional zum Cosinus der Magnetwinkel, wohingegen die normalisierten Signale der Sensoreinheiten in 4B proportional zum Sinus der Magnetwinkel sind. Somit können die normalisierten Signale von Sensoreinrichtungen, die proportional zum Sinus oder Cosinus des Magnetwinkels sind, verwendet werden, mit anderen Worten: Die normalisierten Signale von Sensoreinheiten sind proportional zum Cosinus bzw. Sinus des Magnetwinkels.
Eine andere Ausführungsform umfasst AMRs. 4C zeigt eine Anordnung mit zwei AMR-Halbbrückenschaltungen 200a und 200b an azimutalen Positionen und ψ + ψ + π. AMRs weisen keine gepinnte Magnetisierung auf, und ihre Bezugsrichtung wird durch die Richtung des Stromflusses bestimmt (die oft durch Barber-Pole definiert ist). Da der Widerstand von AMRs nicht von der Polarität des Stroms abhängt, wird dieser in 4C durch Verwendung von bidirektionalen schwarzen Pfeilen gekennzeichnet. Die Ausgangsspannungen sind gegeben durch
Die Differenz der beiden dividiert durch V_supplyh/(2 + h) ergibt das normalisierte Signal
Falls diese Signale an N Prüfpunkten an azimutalen Positionen ψ = m × 360°/N mit m = 0, 1, ... N – 1 abgetastet werden, kann das System die diskrete Fourier-Transformation
bestimmen, wobei für N = 3 die erste und zweite Harmonische (n = 1, 2) und für N > 4 die zweite und (N – 2)te Harmonische (n = 2 und N – 2) die Informationen über die Rotationsposition des Magneten 110 tragen, während alle anderen Harmonischen nur Systemunregelmäßigkeiten aufzeigen, wie z. B. unterschiedliche Amplituden des radialen und des azimutalen Felds, Baugruppentoleranzen und magnetische Hintergrundstörungen. Für N ≠ 4 ist der Rotationswinkel des Magneten gegeben durch ψ'_0,AMR,Rψ = 0,5 × arctan₂{Re{σ_AMR,Rψ,2}, Im{σ_AMR,Rψ,2}}
Somit umfassen GMR-, TMR- und CMR-Halbbrücken MRs mit antiparallelen Bezugsrichtungen ihrer gepinnten Schichten, wohingegen AMR-Halbbrücken MRs mit orthogonalen Bezugsrichtungen umfassen, die durch die Stromflussrichtung definiert sind. Die Ausgangssignale von GMR-, TMR- und CMR-Halbbrücken hängen vom Cosinus oder Sinus des Magnetwinkels ab, wohingegen die Ausgangssignale der AMR-Halbbrücken vom Quadrat des Cosinus oder Sinus des Magnetwinkels abhängen. In beiden Fällen schätzt das Winkelsensorsystem die Rotationsposition des Magneten mittels einer diskreten Fourier-Transformation oder einer anderen geeigneten Berechnung oder Verarbeitung der Signale der Sensoreinheiten, verwendet jedoch im Fall von GMR, TMR und CMR (d. h. jenen MRs mit gepinnten Schichten) die Grundfrequenz n = 1, wohingegen es im Fall von AMRs (d. h. MRs ohne gepinnte Schichten) die zweite harmonische Frequenz n = 2 verwendet. Die zweite Harmonische ist nur in einem Winkelbereich von 180° eindeutig, so dass ohne weitere Modifikationen des Systems ein außeraxialer AMR-Winkelsensor nicht zwischen der Rotationsposition ψ₀ und ψ₀ + π des Magneten unterscheiden kann, obwohl dies in einigen Ausführungsformen und Anwendungen als geeignet in Betracht gezogen werden kann.
Wenn eine Ausführungsform eines Sensorsystems N Halbbrücken an N azimutalen Positionen ψ = ψ^(m) mit den Ausgangsspannungen V_outx(ψ^(m)) für m = 0, 1, ..., N – 1 aufweist, dann ist es möglich, die Spannungen z. B. über benachbarten Halbbrücken abzugreifen: V_outx(ψ⁽¹⁾) – V_outx(ψ⁽⁰⁾), V_outx(ψ⁽²⁾) – V_outx(ψ⁽¹⁾), ..., V_outx(ψ^(N-1)) – V_outx(ψ^(N-2))
Dies stellt N – 1 Differenzspannungen bereit. Die N-te Spannung kann als ein absoluter Punkt V_outx(ψ⁽⁰⁾) – V_ref bezeichnet werden (und keine der anderen Halbbrückenausgänge), um N linear unabhängige Gleichungen aufzuweisen. Alternativ kann das Sensorsystem eine zusätzliche Halbbrücke umfassen, die sich an einer weiteren Position befindet, auf die alle anderen Halbbrückenausgänge bezogen werden. Falls zum Beispiel angenommen wird, dass die Halbbrücke #N diese weitere Bezugsbrücke ist, kann das Sensorsystem die N Differenzspannungen V_outx(ψ⁽⁰⁾) – V_outx(ψ^(N)), V_outx(ψ⁽¹⁾) – V_outx(ψ^(N)), ..., V_outx(ψ^(N-1)) – V_outx(ψ^(N)) abgreifen, wobei sich die Halbbrücken #0 bis #(N – 1) an den regulären Positionen ψ = ψ⁽⁰⁾ bis ψ = ψ^(N-1) befinden, und die weitere Bezugsbrücke befindet sich an einer Position ψ = ψ^(N), die sich von allen anderen Positionen unterscheidet. Somit müssen sich in einer Ausführungsform alle (N + 1) Brücken an unterschiedlichen Positionen befinden. Wie zuvor erwähnt worden ist, kann es in einigen Ausführungsformen von Vorteil sein, dass die N Brücken auf einem regelmäßigen Gitter ψ = ψ⁽⁰⁾ + 2πm/N für m = 0, 1, ..., N – 1 angeordnet sind, so dass die weitere Bezugsbrücke an einer unregelmäßigen Position außerhalb des Gitters angeordnet sein kann.
Falls kein magnetisches Störfeld vorhanden ist und falls die Größen von B ^_R und B ^_ψ identisch sind, kann solch ein Sensorsystem für N ≥ 3 einen Nullwinkelfehler aufweisen. Dennoch können sich für willkürliche Magnete 110 und willkürliche Positionen des Ablesekreises die Größen von B ^_R und B ^_ψ unterscheiden, und auch wenn der Ablesekreis sorgfältig angeordnet ist, so dass beide Magnetfeldgrößen nominell identisch sind, können sie sich aufgrund von Baugruppentoleranzen und Produktionsstreuung geringfügig unterscheiden. In diesen Fällen kann der Winkelfehler mit größerem N abnehmen, nicht jedoch monoton. Zum Beispiel wird ein System mit N = 4 typischerweise einen größeren Winkelfehler aufweisen als ein System mit N = 3. Außerdem kann ein System mit N = 6 den gleichen Fehler aufweisen wie für N = 3, obwohl ein System mit N = 5 sogar einen noch kleineren Winkelfehler aufweisen kann. Im Allgemeinen können Systeme mit einem ungeraden N einen kleineren Winkelfehler aufweisen. Ein System mit N = 2·i + 1 kann den gleichen Winkelfehler aufweisen wie ein System mit N = 4·i + 2. Der Winkelfehler kann auch davon abhängen, um wieviel sich das Verhältnis der Größen von B ^_R und B ^_ψ von 1 unterscheidet.
Eine andere Ausführungsform eines Sensorsystems 500 ist in 5A gezeigt. Im System 500 umfasst der Magnet 110 einen Ringmagneten, der an einer Welle 130 montiert oder auf andere Weise befestigt ist, so dass der Magnet 110 während des Betriebs mit der Welle 130 rotiert. Die Rotationsachse z ist zu einem Mittelpunkt der Welle 130 ausgerichtet. Der Magnet 110 ist diametrisch magnetisiert, wie durch die Pfeile in 5A veranschaulicht wird. Zwei Sensoreinrichtungen 120_0 und 120_1 werden gezeigt, die einander diametral gegenüberliegend und mit dem Durchmesser des konzentrischen Ablesekreises angeordnet sind. Weitere Sensoreinrichtungen 120_n können enthalten sein, obwohl sie in 5A nicht gezeigt werden oder sichtbar sind.
Zum Beispiel umfasst 5B drei Sensoreinrichtungen 230_0, 230_1 und 230_2. Ausführungsformen mit ungeradem N (die Anzahl an Prüfpunkten, an denen jeweils eine Sensoreinrichtung 120 angeordnet ist) können effizienter sein. N = 3 kann in vielen Anwendungen ausreichend genau sein und eine angemessene Unterdrückung des Hintergrundfelds aufweisen. N = 5 kann besser als N = 3 sein, und N = 6 kann ähnlich wie N = 3 sein. N = 10 kann ähnlich wie N = 5 sein. N = 4 kann im Allgemeinen weniger genau als N = 3 oder N = 5 sein. Im Allgemeinen kann N gemäß einer bestimmten Anwendung und/oder gewünschten Leistungsmerkmalen ausgewählt werden.
Die Sensoreinrichtungen 120_0 und 120_1 (5A, obwohl das gleiche auch für andere Ausführungsformen gelten kann, z. B. für 5B) sind vom Magneten 110 durch einen vertikalen Abstand vs beabstandet (wie auf der Seite in 5A angeordnet, wobei die Ausrichtung je nach Ausführungsform variieren kann). Jeder Sensor 120_0 und 120_1 (230_1, 230_2 und 230_3 in 5B) umfasst zwei Halbbrücken (nicht sichtbar) mit Bezugsrichtungen a → und b → die in einigen Ausführungsformen jeweils parallel zur (R, Ψ)-Ebene sind und dazwischen einen Winkel aufweisen, der nicht 0° oder 180° ist (somit sind a → und b → nicht kollinear). In einer Ausführungsform sind a → und b → senkrecht und entsprechen n →_R und n →_Ψ, was in dieser beispielhaften Erörterung angenommen wird, jedoch in anderen Ausführungsformen variieren kann. Das System 500 weist in einer Ausführungsform N Prüfpunkte an azimutalen Positionen auf: ψ^(m) = ψ⁽⁰⁾, ψ⁽⁰⁾ + 360°/N, ψ⁽⁰⁾ + 2 × 360°/N, ...
Während des Betriebs tastet das System (z. B. 500 oder 501) die Signale S ~_a(ψ^(m)) und S ~_b(ψ^(m)) für m = 0, 1, ... N – 1 ab (z. B. durch eine Steuerschaltungsanordnung analog zur Schaltungsanordnung 410 aus 3), die aus den Halbbrücken mit den Bezugsrichtungen a → und b → hergeleitet sind. Dann berechnet das System
für n = 0, 1, ... N – 1 mit der imaginären Einheit
Wenn die Sensoreinrichtungen MRs mit gepinnten Schichten (z. B. GMRs, TMRs und/oder CMRs) verwenden, wie in 5B gezeigt wird, stellen die Grundfrequenzen σ_a,1 und σ_b,1 (n = 1) den dominanten Teil des Felds des Magneten 110 dar, der Informationen über die Rotationsposition des Magneten beinhaltet, wohingegen das Mittel (n = 0) und die höheren Harmonischen (n > 1) durch Nichtidealitäten wie magnetische Hintergrundstörungen, außermittige Montage des Magneten oder der Sensoren gegenüber der Rotationsachse, Sensorfehler, Magnetfehler (z. B. Abweichung von räumlichen Sinusfeldern) und andere verursacht werden. In einigen Ausführungsformen ist σ_a,N-n die Konjugierte von σ_a,n, was bedeutet, dass beide die gleichen Informationen über die Rotationsposition des Magneten enthalten und somit jede verwendet werden kann. Falls die Sensoreinrichtungen MRs ohne gepinnte Schichten (z. B. AMRs) verwenden, wie in 5C gezeigt wird, stellen die zweiten Harmonischen σ_a,2 und σ_b,1 (n = 2) den dominanten Teil des Felds des Magneten 110 dar. Somit muss das Sensorsystem in Ausführungsformen mit gepinnten Schichten nur die Grundfrequenz berechnen, wobei das Verhältnis zwischen dem reellen und dem imaginären Teil den Tangens der geschätzten Rotationsposition des Magneten ergibt: Ψ'_0,a = mod{arctan₂{Re{σ_a,1}, Im{σ_a,1}}, 360°} und Ψ'_0,b = mod{arctan₂{Re{σ_b,1}, Im{σ_b,1}}, 360°}
Sind keine Winkelfehler vorhanden und für a = n →_R und b = n →_ψ und B ^_R > 0 und B ^_ψ > 0, dann gilt: ψ'_0,a = ψ₀ und ψ'_0,b = mod{ψ₀ + 90°, 360°} für 0 ≤ ψ₀ < 360°
Dann kann das System ein vorkonditioniertes Mittel (d. h. Addieren oder Subtrahieren von ganzzahligen Vielfachen von 360 Grad zu/von den Winkelausgängen der Sensoreinrichtungen, bis alle Werte, im Uhrzeigersinn gesehen, entweder steigen oder fallen) von beiden Winkeln berechnen gemäß:
Falls ψ'_0,b < ψ'_0,a, dann Addieren von 360° zu ψ'_0,b
ψ'₀ = mod{(ψ'_0,a + ψ'_0,b – 90°)/2; 360°}
Ein vorkonditioniertes Mittel kann genauer sein als ein einzelner Wert einer einzelnen Sensoreinrichtung, weil es Fehler in Bezug auf unterschiedliche Größen von B_R- und B_Ψ-Amplituden reduzieren oder aufheben kann, Fehler in Bezug auf Baugruppentoleranzen reduzieren oder beseitigen kann und/oder Magnetfeldstörungen reduzieren oder aufheben kann. Diese ganzen Zahlen können null und negative ganze Zahlen einschließen, das heißt, der Wert ändert sich nicht oder die Addition kann auch eine Subtraktion sein.
Es gibt viele Möglichkeiten für die Zuteilung der Sensorwerte. Falls zum Beispiel N = 4 Sensoren bei 0°, 90°, 180° und 270° vorhanden sind und jeder Sensor so positioniert ist, dass sie zur x-Achse ausgerichtet sind, würden die Sensoren bei einer 5°-Position des Magneten die folgenden Winkelwerte ausgeben: 5°, 95°, 185° und 275°. Falls der 90°-Sensor um 90° um seine eigene Achse rotiert wird, der 180°-Sensor um 180° um seine eigene Achse rotiert wird und der 270°-Sensor um 270° um seine eigene Achse rotiert wird, würden die Sensoren die folgenden Werte ausgeben: 5°, 5°, 5° und 5°. Es wären nur vier Ausgangswerte erforderlich, ohne die Notwendigkeit die Werte in einer aufsteigenden Reihenfolge anzuordnen.
In einer Ausführungsform können die Sensoren um einen Umkreis positioniert sein, wobei die Sensoren zur Standardisierung gleich ausgerichtet sind, zum Beispiel entlang der x-Achse. Falls der Magnet auf 0° rotiert wird, dann können die Sensoren Ausgangswerte von 0°, 91°, 179° bzw. 270,3° ausgeben, weil die Sensoren nicht genau ausgerichtet sind oder geringe Mängel aufweisen. Jeder Sensor kann mit diesen jeweiligen Offsets programmiert sein, das heißt, der erste Sensor subtrahiert 0° von seinem Ausgangswert, der zweite Sensor subtrahiert 91° von seinem Ausgangswert, der dritte Sensor subtrahiert 179° von seinem Ausgangswert, und der vierte Sensor subtrahiert 270,3° von seinem Ausgangswert. Wenn sich der Magnet in der 0°-Position befindet, ist jeder der Sensorausgangswerte 0°. Falls der Magnet zum Beispiel auf 70° rotiert wird, dann stellt jeder der Sensoren einen Ausgangswert von 70° bereit. Es ist dann für die ECU einfacher, die Berechnungen auf Basis dieser Werte auszuführen, weil die ECU über alle Ausgangswerte mitteln kann.
Für eine gute Unterdrückung von magnetischen Hintergrundstörungen sollten B ^_R und B ^_ψ so ähnlich wie möglich sein (idealerweise B ^_R = B ^_ψ in einer Ausführungsform) und das gleiche Vorzeichen aufweisen. Bei zylindrischen oder ringförmigen Magneten bedeutet dies, dass sich die Ebene, in der sich alle Testpunkte befinden und die senkrecht zur Rotationsachse z ist, von der Symmetrieebene des Magneten 110 unterscheidet; mit anderen Worten: Sie ist in einer Axialrichtung so verschoben, dass die Prüfpunkte über oder unter dem Magneten 110 liegen, wie in 5A gezeigt wird. Somit umfasst der Magnet 110 in einer beispielhaften Ausführungsform, die dem System 500 entspricht, einen Ringmagnet mit einem Innendurchmesser von etwa 5 mm, einem Außendurchmesser von etwa 15 mm und einer Dicke (z. B. in der z-Richtung, wie in 5A) von etwa 3 mm. Die Prüfpunkte 0 und 1 befinden sich bei vs = etwa 1,5 mm unter dem Magneten 110. Der Ablesekreis weist einen Durchmesser von etwa 17,4 mm auf, falls die Welle 130 nicht eisenhaltig ist (z. B. ihre relative Permeabilität nahe bei 1 liegt), und falls die Welle 130 eisenhaltig ist (z. B. ihre relative Permeabilität größer als etwa 1.000 ist), dann kann der Ablesekreis einen anderen Durchmesser aufweisen. Die Vorzeichen von B ^_R und B ^_ψ können gleich sein, um gute Unterdrückung von magnetischen Hintergrundfeldern und -störungen zu erreichen, wobei die radialen Prüfpunkte 0 und 1 außerhalb des Außendurchmessers des Magneten 110 liegen, wie gezeigt wird.
Eine Ausführungsform eines Systems 501, das MRs mit gepinnten Schichten umfasst und in dem N = 3 ist und für a → = n →_R und b → = n →_ψ und B ^_R > 0 und B ^_ψ > 0, wird in 5B gezeigt. Das System 501 umfasst drei Prüfpunkte 0, 1 und 2 in regelmäßigen azimutalen Zwischenräumen von etwa 120° auf einem Ablesekreis, der zur Rotationsachse z eines diametral magnetisierten Magneten 110 konzentrisch ist. Jeder Prüfpunkt 0, 1, 2 umfasst eine Sensoreinrichtung 120_0, 120_1 bzw. 120_2, die jeweils wenigstens zwei Halbbrücken mit unterschiedlichen Bezugsrichtungen, wie durch die Pfeile veranschaulicht wird, auf jedem oder angrenzend an jedes MR-Element umfasst. In Ausführungsformen, in denen AMRs verwendet werden, die keine gepinnten Schichten enthalten, bedeuten die beiden Bezugsrichtungen z. B., dass die AMRs der ersten Halbbrücke Bezugsrichtungen parallel zu ±n →_R und ±n →_ψ, aufweisen, während die AMRs der zweiten Halbbrücke Bezugsrichtungen parallel zu ±(n →_R + n →_ψ) und ±(n →_R – n →_ψ) aufweisen, wie in 5C gezeigt wird.
In den beispielhaften Ausführungsformen aus den 5B und 5C werden die Bezugsrichtungen von benachbarten Prüfpunkten (z. B. 0 und 1, 1 und 2, 2 und 0) ebenfalls um etwa 120° rotiert, obwohl dies nicht in jeder Ausführungsform der Fall sein muss, da sie auch identisch sein können (z. B. anstelle von R- und Ψ-Bezugsrichtungen, wie gezeigt, kann das System 501 auch die gleichen globalen x- und y-Bezugsrichtungen für alle Prüfpunkte verwenden). Der Grund liegt darin, dass die Signale, die von irgendwelchen zwei Bezugsrichtungen gegeben werden, in irgendeinen anderen Satz von Bezugsrichtungen neu berechnet werden können, was äquivalent ist. In einer Ausführungsform sind beide MR-Halbbrücken an jedem Prüfpunkt 0, 1, 2 auf einem einzelnen Die 230_0, 230_1 bzw. 230_2 angeordnet. Dies kann die Produktionskosten, die Gesamtflächen der Dies und Montagetoleranzen der Dies reduzieren oder minimieren (d. h., weil die relativen Positionen der beiden MR-Halbbrücken bis auf Mikrometerebene genau sein können, falls sie auf einem einzelnen Die hergestellt werden, wohingegen die relative Position von zwei Dies typischerweise in der Größenordnung von 50 ... 150 μm liegt, falls herkömmliche und wirtschaftliche Bestückungs- und herkömmliche Die-Attach-Verfahren für die Montage von mikroelektronischen Schaltungen verwendet werden). Für MRs mit gepinnten Schichten mit den Bezugsrichtungen a → = n →_R und b → = n →_ψ sind die Signale an der azimutalen Position ψ
Folglich kann das System 501 mit ψ⁽⁰⁾ = 0 gemäß einem ersten Algorithmus z. B. für N = 3 berechnen:
woraus der Rotationswinkel auf verschiedene Arten ermittelt werden kann, z. B. ψ'₀ = arctan₂{Re{σ_a,1}, Im{σ_a,1}} – 90°, ψ'₀ = arctan₂{Re{σ_b,1}, Im{σ_b,1}}, oder ψ'₀ = arctan₂{Re{σ_b,1 – jσ_a,1}, Im{σ_b,1 – jσ_a,1}} oder dementsprechend.

Falls ψ'_0,b < ψ'_0,a, dann Addieren von 360° zu ψ'_0,b und
ψ'₀ = mod{(ψ'_0,a + ψ'_0,b = 90°)/2; 360°}
wie vorher erörtert worden ist. Für B ^_R = 1 und B ^_ψ = 0.8 und verschwindende Störungsfelder können die in der TABELLE 1 gezeigten Signale für verschiedene Winkelpositionen ψ₀ des Magneten ermittelt werden. TABELLE 1

ψ₀ ψ₀	σ_a,1	σ_b,1	ψ'_0,a	ψ'_0,b	ψ'₀
0°	0,79260287 + j × 0	0 + j × 0,702246883	0	90°	0°
1°	0,79247171 + j × 0,0134316	–0,012577 + j × 0,702154548	0,971012°	91,026173°	0,99859°
3°	0,79207835 + j × 0,0268619	–0,025148588 + j × 0,701877446	1,9423360	92,052056°	1,99720°
270°	0 – j × 0,786213628	0,709656967 + j × 0	270°	0°	270°
271°	0,014124 – j × 0,786104419	0,709534134 + j × 0,012062968	271,0293°	0,9740061°	271,0017°
287°	0,23459 – j × 0,754456542	0,675241236 + j × 0,203298431	287,2725°	16,755749°	287,0141°

Alternativ kann das System 501 aus 5B in anderen Ausführungsformen eine andere Methodik und/oder einen anderen Algorithmus verwenden, um die Rotationsposition des Magneten 100 abzuleiten. Zum Beispiel kann das System 501 die Magnetwinkel ψ'_0,m für m = 0, 1 ... N – 1 bestimmen. Ein Vorteil dieser Methodik ist, dass die Prüfpunkte regelmäßige oder unregelmäßige Zwischenräume aufweisen können. In einer solchen Ausführungsform kann das Sensorsystem für a → = n →_R und b → = n →_ψ Folgendes bestimmen: ψ'_0,m = mod(ψ^(m) – arctan₂{sign(B ^_R)S ~_a(ψ^(m)), sign(B ^_ψ)S ~_b(ψ^(m))}, 360°) für m = 0, 1, ..., N – 1. Wie hier zu erkennen ist, tastet die Sensoreinrichtung 120 an jedem Prüfpunkt den Magnetwinkel arctan₂{sign(B ^_R)S ~_a(ψ^(m)), sign(B ^_ψ)S ~_b(ψ^(m))}ab (und nicht nur seinen Cosinus bzw. Sinus) und subtrahiert seine azimutale Position (ψ^(m)), um einen groben Winkelschätzwert ψ'_0,m zu ermitteln. Dies steht im Gegensatz zum System 501 (und z. B. zu den Systemen 400 und 600, die nachstehend erörtert werden), wo ein Winkelschätzwert nur anhand einer Kombination von N Prüfpunkten bestimmt wird.
Dann kann das System N Winkel vorkonditionieren, um eine monoton steigende oder fallende Zahlensequenz zu ermitteln:
WENN ψ'_0,l > ψ'_0,m + 180° DANN ψ'_0,l := ψ'_0,l – 360°
SONST WENN ψ'_0,l < ψ'_0,m – 180° DANN ψ'_0,l := ψ'_0,l + 360°
SONST nicht ändern ψ'_0,l
„Monoton” bedeutet, dass die Zahlensequenz auf eine sich snicht verändernde Art und Weise steigt oder fällt. In einigen Ausführungsformen können andere Winkel als 180° verwendet werden, z. B. Winkel zwischen 90° und 270° oder zwischen 45° und 315°, obwohl die Robustheit der Bestimmung in Bezug auf erwartungstreue statistische Winkelfehler (d. h., dass weder positive noch negative Winkelfehler vorherrschen) in Ausführungsformen mit 180° maximiert werden kann. Es gibt zwei Möglichkeiten: (i) Dies wird für m = 0 und durchgeführt, oder (ii) dies wird für m = l – 1 und l = 1, 2, ..., N – 1 durchgeführt. Mit anderen Worten: Ein Ziel der Vorkonditionierung ist es, zu vermeiden, dass einige der groben Winkelschätzwerte sich nahe 0° befinden, während sich andere nahe 360° befinden, so dass das Vorkonditionieren entweder 360° zu den Werten nahe 0° addiert oder 360° von den Werten nahe 360° subtrahiert.
Schließlich bestimmt das System das Mittel aller vorkonditionierten Winkelschätzwerte gemäß
Dieser Ansatz kann im Allgemeinen mit jeder Art von Magnetwinkelsensor verwendet werden. Somit kann die Sensoreinrichtung zwei (oder mehr) Halbbrückenschaltungen verwenden, die MRs umfassen, wie in 5B gezeigt wird, sie kann aber auch andere Sensortechnologien verwenden, einschließlich vertikaler Hall-Effekt-Bauelemente, um die Magnetwinkel am jeweiligen Prüfpunkt der Sensoreinrichtung zu messen. Ein Beispiel für ein solches System 501 wird in 5D gezeigt. Jedes Prüfpunktbauelement umfasst zwei vertikale Hall-Effekt-Bauelemente, die empfindlich gegenüber Magnetfeldern in der Ebene entlang zweier Richtungen sind, die nicht koplanar sind, wie zum Beispiel orthogonal, z. B. radial und azimutal, wie in 5D durch die schwarzen Pfeile veranschaulicht wird. Vertikale Hall-Effekt-Bauelemente mit drei, vier, fünf oder sogar mehr Kontakten pro Bauelement können verwendet werden, und 5D zeigt Bauelemente mit drei Kontakten lediglich als Beispiel. Die Figur ist nicht maßstabsgetreu, und in der Praxis kann es von Vorteil sein, die vertikalen Hall-Effekt-Bauelemente so klein wie möglich zu halten und sie so nahe beieinander wie möglich anzuordnen. Außerdem kann in einigen Ausführungsformen eine übliche Schwerpunktausrichtung für die Hall-Effekt-Bauelemente verwendet werden.
Mit zwei orthogonalen vertikalen Hall-Effekt-Bauelementen tastet die Sensoreinrichtung dann die Komponenten B_R und B_ψ ab, die die gleichen Informationen über den Magnetwinkel enthalten wie die Signale
die von zwei orthogonalen Halbbrückenschaltungen mit MRs mit gepinnten Schichten detektiert werden, wie oben erörtert worden ist. Der Magnetwinkel ist der Winkel zwischen dem Vektor B_Rn →_R + B_ψn →_ψ und einer Bezugsrichtung (z. B. n →_x), der identisch mit dem Winkel zwischen dem Vektor
und der gleichen Bezugsrichtung ist.
Im Allgemeinen und wie in anderen Ausführungsformen kann dieses System optimiert werden, falls B ^_R und B ^_ψ das gleiche Vorzeichen aufweisen. Bei zylindrischen Magneten kann dies bei radialen Abständen erreicht werden, die größer als die Hälfte des Außendurchmessers des Magneten sind. Eine optimale Unterdrückung von Hintergrundmagnetfeldern wird erreicht, falls B ^_R = B ^_ψ. Für zylindrische Magneten kann dies in einigen Ausführungsformen bei radialen Abständen erreicht werden, die geringfügig größer als die Hälfte des Außendurchmessers des Magneten sind, und bei axialen Positionen, die geringfügig über oder unter dem Magneten liegen.
Sensorsysteme gemäß den 5B, 5C und 5D und im Allgemeinen andere Sensorsysteme, die Sensoreinrichtungen verwenden, die den Magnetwinkel und nicht nur seinen Cosinus bzw. Sinus messen, können auch eine geringfügig andere Methodik verwenden, um die Rotationsposition des Magneten zu bestimmen. Die Sensoreinrichtung 230_0 in 5D befindet sich zum Beispiel an einer azimutalen Position, wo es die Komponenten B_R = B ^_Rcos(ψ⁽⁰⁾ – ψ₀) und B_ψ = B ^_ψcos(ψ⁽⁰⁾ – ψ₀) misst, die als erste und zweite Koordinate eines Zeigers mit einem Magnetwinkel ∠ {B ^_Rcos(ψ⁽⁰⁾ – ψ₀)n →₁ + B ^_ψcos(ψ⁽⁰⁾ – ψ₀)n →₂, n →₂] = arctan₂(B ^_Rcos(ψ⁽⁰⁾ – ψ₀), B ^_ψcos(ψ⁽⁰⁾ – ψ₀)) zwischen diesem Zeiger und dem Einheitsvektor entlang der Richtung der ersten Koordinate gesehen werden können (wobei n →₁, n →₂ orthonormale Vektoren sind). Die zweite Sensoreinrichtung 230_1 befindet sich an der azimutalen Position n →₂, n →₂ und somit ist ihr Magnetwinkel arctan₂(B ^_Rcos(ψ⁽⁰⁾ – ψ₀ – 2π/3), B ^_ψcos(ψ⁽⁰⁾ – ψ₀ – 2π/3)). Falls also die Amplituden B ^_R und B ^_ψ identisch sind, wird der Zeiger an der zweiten Sensoreinrichtung 230_1 einfach um 120° gegen den Zeiger der ersten Sensoreinrichtung 230_0 rotiert. Auch falls B ^_R ≠ B ^_ψ ist, kann das System eine Koordinatenrotation durchführen, um den Zeiger der zweiten Sensoreinrichtung 230_1 zurück in die Nähe des Zeigers der ersten Sensoreinrichtung 230_0 zu drehen:
Auf diese Weise kann das System mit den Signalen aller Sensoreinrichtungen fortschreiten. Für die m-te Sensoreinrichtung an der azimutalen Position _ψ^(m) transformiert das System seine Signale S ~_a, S ~_b durch die Matrixmultiplikation
die ein einfacher Satz von zwei reellwertigen linearen Gleichungen mit konstanten Koeffizienten cos(2πm/N), sin(2πm/N) ist. Diese Transformation kann auch als Vorkonditionierungsprozedur angesehen werden. In einigen Ausführungsformen kann es von Vorteil sein, die Signale vor dieser Matrixmultiplikation zu normalisieren gemäß
Als Nächstes summiert das System alle Zeiger,
so dass diese Summation auch als ein Mittelungsprozess mal N angesehen werden kann (wobei diese skalare Zahl N im Kontext der Winkelbestimmung irrelevant ist). Schließlich wird die Rotationsposition des Magneten als der Winkel zwischen diesem Zeiger und dem Einheitsvektor entlang der Richtung der ersten Koordinate ∠{S ~ sum / an →₁, S ~ sum / bn →₂, n →₁} = arctan₂{S ~ sum / a, S ~ sum / b} angegeben. Folglich berechnet dieser Algorithmus kein vorkonditioniertes Mittel von Magnetwinkeln, die von den N Sensoreinheiten abgetastet worden sind; stattdessen transformiert er den magnetischen Zeiger an jeder Sensoreinrichtung in eine transformierte Winkelposition (die identisch mit der Winkelposition der ersten Sensoreinrichtung sein kann, jedoch kann im Allgemeinen irgendeine Winkelposition gewählt werden), summiert diese transformierten Zeiger und bestimmt den Winkel dieses Zeigers zu einer Bezugsrichtung. Ein Vorteil dieses Ansatzes ist, dass die Transformation weniger Rechenleistung erfordern kann und dass das System die arctan-Berechnung nur einmal durchführen muss. Dies kann die Berechnung beschleunigen, weniger Energie verbrauchen und weniger Chipfläche erfordern.
Ein weiteres System 600 wird in 6A gezeigt. Das System 600 umfasst Prüfpunkte auf zwei konzentrischen Ablesekreisen. Der größere und der kleinere Kreis können auf der gleichen Ebene liegen, wie gezeigt wird, oder auf unterschiedlichen Ebenen (d. h. unterschiedlichen z-Positionen), und sie können größer oder kleiner (oder einer größer und einer kleiner) als ein Durchmesser des Magneten 110 sein. Um die Unterdrückung von magnetischen Hintergrundfeldern zu verbessern, sind die Vorzeichen von B ^_R und B ^_ψ in einer Ausführungsform auf einem Ablesekreis gleich und auf dem anderen Ablesekreis unterschiedlich. Bei jedem Prüfpunkt auf jedem Ablesekreis (N = 3 für jeden Ablesekreis im System 600, obwohl in anderen Ausführungsformen eine andere Anzahl von Prüfpunkten auf jedem Kreis vorhanden sein kann) ist eine Halbbrücke mit der Bezugsrichtung a →, die parallel zur (R, Ψ)-Ebene ist und die gleiche wie n →_R ist, angeordnet. In einigen Ausführungsformen unterscheiden sich die Bezugsrichtungen auf den Ablesekreisen. Somit weist das System 600 auf jedem Ablesekreis N Prüfpunkte an den azimutalen Positionen ψ^(m) = ψ⁽⁰⁾, ψ⁽⁰⁾ + 360°/N, ψ⁽⁰⁾ + 2 × 360°/N, ... auf. In anderen Ausführungsformen ist, wie erwähnt, N für jeden Ablesekreis unterschiedlich, und kann sich für jeden Ablesekreis unterscheiden. Dies kann z. B. vorteilhaft sein, falls sich Halbbrückenschaltungen für Prüfpunkte auf beiden Ablesekreisen auf dem gleichen Die befinden, weil dann die Richtung zwischen den beiden Prüfpunkten zur Radialrichtung geneigt werden kann, um den Zwischenraum mit der Differenz in erforderlichen Ableseradien abzustimmen.
Dies wird in 6B für eine Ausführungsform gezeigt, in der die Richtung zwischen den beiden Prüfpunkten auf einem einzelnen Die 230 geneigt ist, so dass sie tangential zum kleineren Ablesekreis ist. Eine exakte tangentiale Ausrichtung ist nicht nötig, und tatsächlich kann eine gerade Linie zwischen den beiden Prüfpunkten auf einem Die auch einen willkürlichen Winkel in Bezug auf die Tangentialrichtung aufweisen. Im System 601 werden die Signale S ~₁(ψ^(m)) und S ~₂(ψ^(m)) für m = 0, 1 ... N – 1, die von Halbbrücken auf dem ersten und zweiten Ablesekreis hergeleitet worden sind, abgetastet. Das System 601 bestimmt dann
mit der imaginären Einheit. Die Grundfrequenzen σ_1,1 und σ_2,1 (n = 1) stellen den dominanten Teil des Felds des Magneten 110 dar, wohingegen das Mittel (n = 0) und die höheren Harmonischen (n > 1) durch Nichtidealitäten verursacht werden, wie magnetische Hintergrundstörungen, außermittige Montage des Magneten oder der Sensoren gegenüber der Rotationsachse, Sensorfehler, Magnetfehler (z. B. Abweichung von räumlichen Sinusfeldern) und andere. Somit bestimmt das System 601 die Grundfrequenz, wobei das Verhältnis zwischen reellen und imaginären Teilen davon die Tangente der geschätzten Rotationsposition des Magneten 110 ergibt: ψ'_0,1 = mod{arctan₂{Re{σ_1,1}, Im{σ_1,1}}, 360°} und ψ'_0,2 = mod{arctan₂{Re{σ_2,1}, Im{σ_1,1}}, 360°}
Dann kann das System 601 ein vorkonditioniertes Mittel beider Winkel bestimmen gemäß:
Falls ψ'_0,2 < ψ'_0,1 dann Addieren von 360° zu
Dann ψ'₀ = mod{(ψ'_0,1 + ψ'_0,2 – 180°)/2; 360°}
Eigenschaften, die variieren können, die in anderen Ausführungsformen erwähnt worden sind, können auch auf Ausführungsformen des Systems 601 zutreffen (z. B. die Anzahl der Prüfpunkte auf jedem Kreis, die relativen Durchmesser der Ablesekreise in Bezug zueinander und zum Magneten 110 usw.). Für eine gute Unterdrückung von magnetischen Hintergrundstörungen muss der folgende Ausdruck zwei Anforderungen erfüllen, das heißt, er sollte die gleiche Größe und entgegengesetzte Vorzeichen auf den beiden Ablesekreisen aufweisen.
kann die gleiche Größe und entgegengesetzte Vorzeichen auf den beiden Ablesekreisen aufweisen.
In einem Ausführungsbeispiel des Systems 601, in dem N = 7 ist, B ^_R,1/B ^_ψ,1 = 1, 2 (der Index 1 bezeichnet „auf dem Ablesekreis #1”) und B ^_R,1/B ^_ψ,1 = –0,7 (die Indizes 1 und 2 bezeichnen „auf dem Ablesekreis #1 bzw. #2”, unabhängig davon, welcher größer oder kleiner ist, solange Konsistenz aufrechterhalten bleibt), falls das Verhältnis B ^_R,2/B ^_ψ,2 = –0,413463 auf dem zweiten Ableseradius erforderlich ist. Für Störungen, die 10% von |B ^_R,1|, betragen, liegt der Winkelfehler bei etwa 0,1°.
Noch eine andere Ausführungsform wird in den 7A und 7B gezeigt, wobei ein Ringmagnet 110 mit einer durchgehenden Welle 130 gekoppelt und in Bezug auf eine Platine oder eine Leiter- oder Bauelementplatte 140 angeordnet ist, durch welche die Welle 130 hindurch läuft. In den 7A und 7B, wie hier im Allgemeinen, werden ähnliche Bezugsnummern verwendet, um auf ähnliche Elemente oder Merkmale Bezug zu nehmen, obwohl ähnliche Elemente oder Merkmale in verschiedenen Ausführungsformen sich immer noch auf eine oder mehrere Arten voneinander unterscheiden können, wie dargestellt oder erörtert wird. Drei Sensoreinrichtungen 120_1, 120_2 und 120_3 sind auf einem Ablesekreis (nicht dargestellt) angeordnet, der konzentrisch zur Welle 130 ist. Die Schaltung 410 wird ebenfalls gezeigt und ist operativ mit den Sensoreinrichtungen 120_1, 120_2 und 120_3 gekoppelt, in einer Ausführungsform z. B. durch Kupfer-Leiterbahnen auf der Oberseite und/oder Unterseite der Leiterplatte 140, und kann eine Steuer-, Auswertungs-, Signalkonditionierungs- und/oder eine andere Schaltungsanordnung umfassen, um in einigen Ausführungsformen Signale aus den Sensoreinrichtungen 120_1, 120_2 und 120_3 zu empfangen und verarbeiten und um Schätzwerte von Rotationspositionen oder -winkeln in Bezug auf den Magneten 110 zu bestimmen oder zu ermitteln.
Die Sensoreinrichtungen 120_1, 120_2 und 120_3 können in einigen Ausführungsformen kleine Dies (z. B. den Die 230) angeordnet auf der Leiterplatte 140 umfassen, wie mit einer Größe im Bereich von 0,5 mm mal etwa 0,5 mm mal etwa 0,2 mm in einem Beispiel, obwohl diese Abmessungen in anderen Ausführungsformen variieren können. Wie gezeigt wird, ist eine Kante jeder Sensoreinrichtung 120_1, 120_2 und 120_3 im Allgemeinen zur radialen und azimutalen Richtung der Welle 130 ausgerichtet und auf der Leiterplatte 140 gleich weit von der Welle 130 beabstandet, die in einer Ebene senkrecht zur Welle 130 liegt. In einer Ausführungsform weist der Ablesekreis, auf dem die Sensoreinrichtungen 120_1, 120_2, 120_3 angeordnet sind, einen Durchmesser von etwa 17,4 mm auf.
Der Magnet 110 ist in einer Richtung des Durchmessers homogen magnetisiert. In einer Ausführungsform weist der Magnet 110 einen Innendurchmesser von etwa 6 mm (was z. B. im Wesentlichen gleich einem Durchmesser der Welle 130 ist), einen Außendurchmesser von etwa 15 mm und eine Stärke oder Tiefe von etwa 3 mm auf. Obwohl sein Material variieren kann, kann er in einer Ausführungsform hartes Ferrit mit einer Remanenz von etwa 220 mT umfassen.
Die Leiterplatte 140 umfasst eine zentrale Bohrung oder Öffnung 150, um die Welle 130 mit einem angemessenen Spiel aufzunehmen, so dass die Welle 130 frei rotieren kann. Die Öffnung 150 umfasst einen Abschnitt, der in einer Ausführungsform nach innen verläuft, um zu ermöglichen, dass die Leiterplatte in Bezug auf die Welle 130 montiert werden kann, ohne dass sie über ein Ende der Welle 130 gezogen werden muss. Im Allgemeinen ist eine Breite der Öffnung 150 größer als ein Durchmesser der Welle 130, aber kleiner als ein Abstand zwischen z. B. den Sensoreinrichtungen 120_2 und 120_3. Die Breite muss in einigen Ausführungsformen nicht in allen Abschnitten der Öffnung 150 gleich sein, und in anderen Ausführungsformen können andere Formen und Anordnungen umgesetzt werden.
Die verschiedenen gezeigten Komponenten (z. B. die Sensoreinrichtungen 120_1, 120_2, 120_3, die Schaltungsanordnung 410) sowie andere vom oder im System 700 können auf der Leiterplatte 140 konventionell montiert werden (d. h., ihre Rück- oder Hinterseiten an die Leiterplatte 140 gekoppelt), und elektrische Verbindungen können zwischen den Elementen und Leiterbahnen auf der Leiterplatte 140 durch Drahtbonden erfolgen, wie zum Beispiel durch Nailhead-Bonden oder Wedge-Bonden, und einer oder mehrere der Bonddrähte und Dies können zum Schutz mit einer Formmasse oder einem anderen Material oder einer anderen Struktur abgedeckt werden. Bei anderen Bonds können die Dies (z. B. die Sensoreinrichtungen 120_1, 120_2, 120_3, der Schaltungsanordnung 410) durch Flip-Chip-Montage mit ihren Vorderseiten gegenüber der Leiterplatte 140 montiert werden, wobei elektrische Verbindungen dann durch Lot oder andere Lötstellen, Lötkugeln oder Unterfüllung zwischen der Vorderseite jedes Dies und der Leiterplatte 140 erfolgen. Die Dies wiederum können dann mit einer schützenden Formmasse oder einem anderen Material oder einer anderen Struktur abgedeckt werden.
In einigen Ausführungsformen umfasst jede Sensoreinrichtung 120_1, 120_2, 120_3 wenigstens eine Halbbrückenschaltung, wie zum Beispiel irgendeine derjenigen, die in den 4A, 4C, 5A, 5B und/oder 6A oder irgendeiner anderen Anordnung oder Konfiguration gezeigt und mit Bezug darauf erörtert worden sind. Die Drähte und Leiterbahnen zum Koppeln der Sensoreinrichtungen 120_1, 120_2, 120_3, der Schaltungsanordnung 410 und Leiterplatte 410 sowie anderer Elemente können von der jeweils umgesetzten Ausführungsform abhängen. Falls zum Beispiel die Sensoreinrichtungen 120_1, 120_2, 120_3 ähnliche Halbbrücken umfassen wie in 4A, was eine einfachere Anordnung als andere Möglichkeiten ist, erfordert jede Sensoreinrichtung 120_1, 120_2, 120_3 typischerweise drei Drähte: zwei Versorgungsanschlüsse und einen Signalanschluss. Andere Halbbrückenkonfigurationen können weitere Kopplungen erfordern, wie zum Beispiel vier Drähte pro Sensoreinrichtung 120_1, 120_2, 120_3 für die 5A, 5B und/oder 6A oder andere (d. h. zwei Signalanschlüsse und zwei Versorgungsanschlüsse). In einigen Ausführungsformen sind alle Drähte auf der gleichen Seite der Leiterplatte 140 wie die Sensor-Dies angeordnet. In einer Ausführungsform kann die Sensoreinrichtung 120_1 und/oder die Schaltung 410 einen einzelnen Die und/oder eine einzelne Baugruppe umfassen, so dass die Verdrahtung bei der geringeren Anzahl von Elementen im System reduziert werden kann.
In einer anderen Ausführungsform können der Die der Sensoreinrichtung 120_1 und die Schaltungsanordnung 410 gestapelt sein, wobei eines auf dem anderen per Flip-Chip-Montage montiert ist. Im Allgemeinen ist praktisch jede Konfiguration möglich, obwohl immer darauf geachtet werden sollte, konsistente Positionen der Sensoreinrichtungen 120_1, 120_2, 120_3 beizubehalten (z. B. die gleichen z-Positionen). Wie zuvor erwähnt worden ist, ist es im Allgemeinen von Vorteil, wenn die Sensoreinrichtungen 120_1, 120_2, 120_3 identisch sind, in einer Ausführungsform somit ihre Dies aus dem gleichen Wafer stammen, um konsistente Stärke, Herstellungstoleranzen und andere Faktoren aufrecht zu erhalten, die, falls sie von einem zum anderen Sensor variieren, Inkonsistenzen, Unregelmäßigkeiten oder Fehler in das System 700 einführen können.
Eine weitere Überlegung kann in dieser und in anderen Ausführungsformen die Länge von Drähten zur Kopplung der Sensoreinrichtung 120 und der Schaltung 410 sein. Längere Drähte können anfällig für Störungen sein, wie zum Beispiel Thermo-EMF, Wärme- und anderes Rauschen und/oder elektromagnetische Interferenz, insbesondere, falls Signale schwach sind, z. B. in der Größenordnung von weniger als Millivolt oder Mikroampere. Somit können die Sensorelemente in einigen Ausführungsformen so ausgewählt werden, dass sie dieses kompensieren oder vermeiden und ausreichend starke Signale ausgeben, oder eine Signalkonditionierungsschaltungsanordnung kann hinzugefügt werden. Somit werden in einigen Ausführungsformen TMR-Sensoreinrichtungen verwendet, weil sie große Signalbereiche breitstellen können (z. B. etwa 50% ihrer Versorgungsspannung). Die Größe jedes TMR-Sensoreinrichtung-Dies kann minimiert werden, um die Kosten zu reduzieren, z. B. in der Größenordnung von lateral etwa 250 Mikrometern, wobei immer noch mehrere Halbbrücken auf dem Die untergebracht werden können. Das Material des Dies kann auch dazu ausgewählt werden, die Kosten zu reduzieren; zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen Glas oder ein anderes geeignetes Material verwendet werden. Andere Eigenschaften und Konfigurationen in Bezug auf die Art des zu verwendenden Sensorelements, Anforderungen einer bestimmten Anwendung oder einiger anderer Faktoren können in einigen Ausführungsformen ausgewählt oder kundenspezifisch angepasst werden, wie Fachleute verstehen.
In noch einer anderen Ausführungsform kann die Leiterplatte 140 umgekehrt oder umgedreht werden, so dass die Sensoreinrichtungen 120_1, 120_2, 120_3 und die Schaltungsanordnung 410 vor dem Magneten 110, der sich bewegt, geschützt sind. In solch einer Ausführungsform kann eine zusätzliche Zwischenleiterplatte zum System 700 hinzugefügt werden; obwohl dies den Abstand zwischen den Sensoreinrichtungen 120_1, 120_2, 120_3 und dem Magneten 110 erhöhen kann, kann es die Zuverlässigkeit erhöhen, die Sensoreinrichtungen 120_1, 120_2, 120_3 und die Schaltungsanordnung 410 vor jeglicher Fehlfunktion schützen, die dazu führen könnte, dass der Magnet 110 an die Leiterplatte 140 und Elemente darauf stößt oder auf andere Weise damit kollidiert.
Die Anzahl an Sensoren kann in Ausführungsformen des Systems 700 variieren. Mit Bezug auf 7C: Eine Ausführungsform eines Systems 701 umfasst fünf Sensoreinrichtungen 120_1, 120_2, 120_3, 120_4 und 120_5. Die Größe oder andere Eigenschaften der Öffnung 150 müssen möglicherweise in Ausführungsformen, die mehr Sensoren aufweisen, angepasst werden, um die Sensoren in Bezug dazu und zu den anderen Sensoren anzuordnen. Zum Beispiel liegt in 7C ein Mindestabstand zwischen der Sensoreinrichtung 120_3 oder 120_4 und einer Kante der Öffnung 150 bei etwa 0,65 mm, während die Öffnung 150 selbst etwa 8 mm breit ist. In einigen Ausführungsformen, in denen Größe und Zwischenraum aufgrund des einen oder anderen Faktors wichtiger sind, kann die Größe der Sensoren angepasst werden. Zum Beispiel können sie kleiner gemacht werden, z. B. etwa 0,25 mm mal etwa 0,25 mm mal etwa 0,2 mm in einem Beispiel.
Ausführungsformen, wie die in den 7A–7C, die drei oder fünf Sensoreinrichtungen 120 umfassen, können in der Hinsicht von Vorteil sein, dass sie effizient bezüglich geringer Winkelfehler und Robustheit gegenüber magnetischen Hintergrundfeldern und -störungen sind, während sie eine minimale Anzahl an Sensoren aufweisen, was die Kosten reduzieren und zur Erleichterung der Montage mit den Geometrien der Leiterplatte und der Öffnungen kompatibel sein kann.
Die Montage kann in einer Ausführungsform, wie sie in 8 gezeigt wird, komplizierter sein, bei der die Sensoreinrichtungen 120 (N = 6 in einem System 800) relativ zur Mittelebene des Magneten 110 statt darüber oder darunter angeordnet sind. In solch einer Ausführungsform ist es möglicherweise nicht möglich, die Öffnung ausreichend groß dafür zu machen, dass der Magnet 110 oder wenigstens die Welle 130 hindurchgeführt werden kann, während ausreichend Raum und Platz auf der Leiterplatte 140 für die verschiedenen anzuordnenden Systemkomponenten freigehalten wird. Daher kann die Leiterplatte 140 in Ausführungsformen wie denen in 8 relativ zur Welle 130 montiert werden, indem sie über ein Ende der Welle 130 geführt wird. In solch einer Ausführungsform kann die Öffnung 150 ein einfaches Loch in der Leiterplatte 140 umfassen, das ausreicht, um die Leiterplatte 140 und den Magneten 110 aufzunehmen, ohne dass sie über eine Seite der Leiterplatte 140 hinausstehen.
In noch einer anderen Ausführungsform kann eine einzelne Sensor-„Baugruppe” 900, wie sie in den 9A und 9B gezeigt wird, bereitgestellt werden, bei der alle gewünschten Sensorelemente und Verdrahtungen mit der Leiterplatte bereitgestellt sind, was herkömmliche Leiterrahmen für kunststoffgekapselte Baugruppen ersetzen kann. Die Baugruppe 900 kann die Leiterplatte 140 mit geeigneten Verbindungsleiterbahnen, Sensoren 120 und einer Schaltungsanordnung 410 sowie Anschlüssen 910 umfassen, die von dem in 9 dargestellten Beispiel abweichen können. Eine Formmasse kann die verschiedenen Komponenten in der Baugruppe 900 abdecken, und die Öffnung 150 kann bereitgestellt sein, um den Magneten 110 und 130 (9B) aufzunehmen. Die Baugruppe 900 kann eine genauere und bessere Platzierung der Sensoren 120 in Bezug zueinander bereitstellen, wenn dies z. B. vom Halbleiterhersteller durchgeführt wird und nicht vom Modulhersteller. Die Baugruppe 900 kann als eine PCB-Baugruppe angesehen werden, da sie mehrere Dies umfasst, die auf einer Leiterplatte montiert sind, die die Dies fixiert und elektrische Kopplungen für den Betrieb bereitstellt. Die spezielle Bauart der Baugruppe 900 (z. B. mit der Öffnung 150) kann für eine/n spezielle/n Magneten, Wellenkonfiguration, Anwendung oder anderen Faktor kundenspezifisch angepasst werden. Zum Beispiel kann die Baugruppe 900 eine Öffnung umfassen, die gleich oder ähnlich ist wie die in 7A gezeigte, was weniger teuer sein könnte, falls es zu einer geringeren Gesamtgröße der Baugruppe 900 führt, die ansonsten recht groß sein könnte, um den Magneten und die Welle aufzunehmen.
Die Konfiguration des Magneten 110 kann in dieser oder einer anderen Ausführungsform auch verändert werden. Zum Beispiel umfasst der Magnet 110 im System 1000 in 10 Platten 160, die auf der Oberseite und Unterseite des Magneten 110 angeordnet sind. Die Platten 160 weisen in der Ausführungsform aus 10 einen größeren Durchmesser als der Magnet 110 auf, können in anderen Ausführungsformen aber die gleiche Größe haben oder kleiner sein und können in einigen Ausführungsformen ein eisenhaltiges oder nichteisenhaltiges Material umfassen. In eisenhaltigen Ausführungsformen können die Platten 160 als magnetische „Spiegel” dienen, die das vom Magneten 110 erzeugte Magnetfeld erhöhen. Die Platten 160 können auch einfach die Sensor-Dies oder andere Komponenten vor der Umgebung schützen. Die Welle 130 kann ebenfalls eisenhaltig oder nichteisenhaltig sein, unabhängig von den Platten 160.
Unabhängig von der Sensorsystemkonfiguration kann die Schaltungsanordnung 410 oder eine andere Schaltungsanordnung, die mit dem Sensorsystem gekoppelt ist, in einigen Ausführungsformen und beim Betrieb die Magnetwinkelschätzwerte von jedem Sensorelement vergleichen. Dies kann z. B. erfolgen, um signifikante Fehler zu detektieren, die einen oder mehrere der Sensoren beeinträchtigen (unter anderem, falls z. B. die Datenkommunikation aufgrund von EMV-Störungen oder Drahtbrüchen fehlerhaft war oder falls eine einzelne Sensoreinrichtung gestört war oder falls der Magnet von der Welle oder auseinander gefallen ist). Somit kann die Schaltungsanordnung den „besten Schätzwert” für den Winkelwert gemäß den oben dargelegten Schemata berechnen und in einem nachfolgenden Schritt alle Magnetwinkel mit diesem besten Schätzwert vergleichen. Wenn der Unterschied größer als z. B. 45° ist, kann sie angeben, dass die jeweilige Sensoreinrichtung oder die Kommunikation mit diesen Sensoreinheiten einen Fehler aufgewiesen hat. Dann kann sie diesen Fehler melden. Sie kann auch versuchen, einen neuen besten Schätzwert zu ermitteln, der die von einer oder mehreren Sensoreinheiten erhaltenen Signale aussondert. In einigen Ausführungsformen kann daher das Sensorsystem die Redundanz der mehreren Sensoreinrichtungen verwenden, um die Zuverlässigkeit seines Gesamtwinkelschätzwerts zu verbessern. Eine, die besonders robust sein kann, umfasst 2·N Sensoreinrichtungen. Falls das System durch den Vergleich der 2 N Winkelablesewerte ermittelt, dass einer oder mehrere Werte wahrscheinlich fehlerhaft sind, kann das System ein neues konditioniertes Mittel unter Verwendung der Werte z. B. jeder zweiten Sensoreinrichtung bestimmen oder ansonsten wenigstens einen Ablesewert aussondern. Die Genauigkeit von N Winkelablesewerten ist immer noch relativ oder ausreichend hoch, so dass die Verschlechterung der Leistung gering ist. Zum Beispiel kann das System in einem System N = 6 mit Sensoreinrichtungen an ganzzahligen Vielfachen von 60 Grad, falls sich die Sensoreinrichtung N = 3 signifikant von allen anderen unterscheidet, die Sensoreinrichtungen N = 2, 4 und 6 verwenden, um ein System N = 3 zu bilden und immer noch einen genauen Winkelablesewert zu ermitteln.
Falls die Sensoreinrichtungen Magnetfeldkomponenten detektieren, können sie in einigen Ausführungsformen auch einen adaptiven Lernalgorithmus verwenden. Beim Hochfahren arbeitet das System, wie hier im Allgemeinen erörtert wird. Es kann die Rotationsposition des Magneten dementsprechend schätzen, und somit weiß es auch, wann eine Winkelbewegung von 360° ausgeführt worden ist (z. B. durch Speichern des minimalen und des maximalen geschätzten Winkels und Setzen einer Markierung, wenn ein Übergang 0°/360° oder 360°/0° stattgefunden hat). Wenn eine volle 360°-Rotation des Magneten detektiert worden ist, weiß das System, dass sowohl die Maxima als auch die Minima beider Magnetfeldkomponenten detektiert worden sein müssen. Falls diese Maxima und Minima gespeichert wurden, kann das System den k-Faktor berechnen (d. h. ein Amplitudenverhältnis zwischen radialen und azimutalen Magnetfeldkomponenten) durch (max(B1) – min(B1))/(max(B2) – min(B2)), wobei B1 und B2 die beiden Magnetfeldkomponenten bezeichnen. Dann kann es diesen k-Faktor verwenden, um die Genauigkeit weiterer Winkelschätzwerte zu verbessern. Wenn solch ein Lernalgorithmus vorhanden ist, können die Sensoreinheiten dies auch an die Steuerung melden. Dann kann die Steuerung entscheiden, ob einige Sensoreinheiten abgeschaltet werden sollen, um Energie zu sparen. In einer Ausführungsform löst die Steuerung einen Betriebsmodus aus, in dem die Sensoreinheiten intermittierend arbeiten: Eine erste Gruppe von Sensoreinheiten arbeitet während eines ersten Zeitraums, und dann arbeitet eine zweite Gruppe von Sensoreinheiten während eines zweiten Zeitraums, und dies kann dann wieder mit der ersten Gruppe starten usw.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das System die Winkel zwischen den Projektionen der Magnetfelder auf die Ebenen und die an den Positionen jeder Sensoreinheit abgetasteten Bezugsrichtungen verwenden, jedoch müssen die Sensoreinheiten nicht notwendigerweise diese Winkel bereitstellen. Die Sensoren können auch beide Komponenten des Magnetfelds in der Ebene bereitstellen, oder sie können die Information auf viele unterschiedliche Arten codieren, z. B. (min(abs(B1), abs B2))/max(abs(B1), abs(B2)) (wobei 1 und 2 zwei unterschiedliche Komponenten bezeichnen). In einigen Ausführungsformen können die Sensoreinheiten dann die Rohdaten bereitstellen, aber es kann entweder die Sensoreinheit oder eine Steuerschaltungsanordnung den Winkel aus den Rohdaten herleiten. Zum Beispiel kann die Sensoreinheit ein magnetoresistives Bauelement sein, wie zum Beispiel ein Starkfeld-GMR oder -TMR oder ein AMR. Solch ein Bauelement stellt keine Magnetfeldkomponente bereit – stattdessen stellt es ein Signal bereit, das proportional zum Cosinus oder Sinus eines Winkels zwischen einer Magnetfeldprojektion auf die Chipoberfläche und einer Bezugsrichtung ist.
Verschiedene Ausführungsformen von Systemen, Bauelementen und Verfahren sind hier beschrieben worden. Diese Ausführungsformen sind lediglich als Beispiele angeführt und sollen den Schutzbereich der Erfindung nicht einschränken. Es versteht sich außerdem, dass die verschiedenen Merkmale der Ausführungsformen, die beschrieben worden sind, möglicherweise auf verschiedene Arten kombiniert werden, um zahlreiche zusätzliche Ausführungsformen herzustellen. Während außerdem zur Verwendung mit offenbarten Ausführungsformen verschiedene Materialien, Abmaße, Formen, Konfigurationen und Positionen usw. beschrieben worden sind, werden möglicherweise neben den offenbarten andere genutzt, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu überschreiten.
Durchschnittsfachleute werden erkennen, dass die Erfindung weniger Merkmale umfassen kann als in einer einzelnen oben beschriebenen Ausführungsform veranschaulicht ist. Die hier beschriebenen Ausführungsformen sollen keine umfassende Darstellung der Arten sein, auf die die verschiedenen Merkmale der Erfindung kombiniert werden können. Dementsprechend sind die Ausführungsformen keine sich gegenseitig ausschließenden Kombinationen von Merkmalen; stattdessen kann die Erfindung eine Kombination unterschiedlicher einzelner Merkmale umfassen, die aus unterschiedlichen einzelnen Ausführungsformen ausgewählt worden sind, wie Durchschnittsfachleute verstehen werden. Außerdem können in Bezug auf eine Ausführungsform beschriebene Elemente in anderen Ausführungsformen umgesetzt werden, auch wenn sie in solchen Ausführungsformen nicht beschrieben sind, es sei denn, es wird etwas Anderes angegeben. Obwohl sich ein abhängiger Anspruch in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann, können andere Ausführungsformen auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder eine Kombination eines oder mehrerer Merkmale mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen beinhalten. Solche Kombinationen werden hier vorgeschlagen, es sei denn, es wird angegeben, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Weiterhin ist beabsichtigt, dass auch Merkmale eines Anspruchs in irgendeinem anderen unabhängigen Anspruch beinhaltet sind, auch wenn dieser Anspruch nicht direkt vom unabhängigen Anspruch abhängig gemacht wird.
Jede oben genannte Aufnahme durch Verweis auf Dokumente ist eingeschränkt, so dass kein Gegenstand aufgenommen ist, der der expliziten Offenbarung hier entgegensteht. Jede oben genannte Aufnahme durch Verweis auf Dokumente ist weiterhin eingeschränkt, so dass keine Ansprüche, die in den Dokumenten enthalten sind, durch Verweis hier aufgenommen sind. Jede oben genannte Aufnahme durch Verweis auf Dokumente ist außerdem weiterhin eingeschränkt, so dass alle Definitionen, die in den Dokumenten bereitgestellt sind, nicht durch Verweis hier aufgenommen sind, es sei denn, sie sind hier explizit aufgenommen.
Zu Zwecken der Interpretierung der Ansprüche für die vorliegende Erfindung ist es ausdrücklich beabsichtigt, dass sich nicht auf die Regelung von Abschnitt 112, sechster Absatz, 35 U. S. C. berufen wird, außer die spezifischen Ausdrücke „Mittel zum” oder „Schritt zum” sind in einem Anspruch genannt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Regelung von Abschnitt 112, sechster Absatz, 35 U. S. C. [0123]

Claims

Magnetfeld-Winkelerfassungssystem, das eingerichtet ist, eine Rotationsposition einer Magnetfeldquelle um eine Rotationsachse zu bestimmen, das Folgendes umfasst: N Sensoreinrichtungen, die in einem zur Rotationsachse konzentrischen Kreis angeordnet sind, wobei N > 1 und die Sensoreinrichtungen voneinander um etwa (360/N) Grad entlang des Kreises beabstandet sind, wobei jede Sensoreinrichtung Folgendes umfasst: eine Magnetfeld-Erfassungseinrichtung mit einer Empfindlichkeitsebene, die wenigstens eine Bezugsrichtung der Magnetfeld-Erfassungseinrichtung umfasst, wobei die Magnetfeld-Erfassungseinrichtung gegenüber einer Magnetfeldkomponente in der Empfindlichkeitsebene empfindlich ist und eingerichtet ist, ein Signal bereitzustellen, das zu einem Cosinus oder Sinus eines Winkels zwischen der Bezugsrichtung und dem Magnetfeld in der Empfindlichkeitsebene in Bezug steht; und eine Schaltungsanordnung, die mit den N Sensoreinrichtungen gekoppelt ist und die eingerichtet ist, ein Signal bereitzustellen, das eine Rotationsposition einer Magnetfeldquelle um die Rotationsachse angibt, die durch Kombinieren der Signale aus den Magnetfeld-Erfassungseinrichtungen der N Sensoreinrichtungen bestimmt worden ist, wobei die Schaltungsanordnung eingerichtet ist, (i) das Signal der N Sensoreinrichtungen als Winkelwerte zu interpretieren, (ii) ganzzahlige Vielfache, die äquivalent zu 360° sind, zu ausgewählten der N Winkelwerte zu addieren, um N korrigierte Winkelwerte zu bilden, damit sie wenigstens eine monoton steigende oder fallende Sequenz aller N korrigierten Werte in einer einzigen Uhrzeiger- oder Gegenuhrzeigerrichtung von Winkelpositionen jeweiliger der N Sensoreinrichtungen ergeben, und (iii) diese korrigierten Werte zu mitteln.
System nach Anspruch 1, wobei die Magnetfeldquelle einen Permanentmagneten mit einer Halbach-Magnetisierung umfasst.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die N Sensoreinrichtungen auf einem einzigen Die angeordnet sind.
System nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Magnetfeld-Erfassungseinrichtung ein Hall-Effekt-Element oder ein magnetoresistives Element umfasst.
System nach Anspruch 4, wobei die Magnetfeld-Erfassungseinrichtung eine Halbbrückenschaltung umfasst, die zwei magnetoresistive Elemente mit unterschiedlichen Bezugsrichtungen umfasst.
System nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die Empfindlichkeitsebenen der Magnetfeld-Erfassungseinrichtungen jeder der N Sensoreinrichtungen nominell parallel sind.
System nach einem der Ansprüche 1–6, wobei die ganze Zahl des ganzzahligen Vielfachen positiv, negativ oder null ist.
System nach einem der Ansprüche 1–7, wobei die Schaltungsanordnung eingerichtet ist, jeweilige Offsets von jedem der Winkelwerte zu subtrahieren.
Verfahren, um eine Rotationsposition einer Magnetfeldquelle um eine Rotationsachse zu bestimmen, das Folgendes umfasst: Anordnen von N > 1 Sensoreinrichtungen in einem zur Rotationsachse konzentrischen Kreis, so dass die Sensoreinrichtungen voneinander um etwa (360/N) Grad entlang des Kreises beabstandet sind; durch eine Magnetfeld-Erfassungseinrichtung jeder der N > 1 Sensoreinrichtung Erfassen eines Cosinus oder Sinus eines Winkels zwischen einer Bezugsrichtung der Magnetfeld-Erfassungseinrichtung und dem Magnetfeld, das durch die Magnetfeldquelle induziert wird, in einer Empfindlichkeitsebene der Magnetfeld-Erfassungseinrichtung, wobei die Empfindlichkeitsebene wenigstens eine Bezugsrichtung der Magnetfeld-Erfassungseinrichtung umfasst; Bereitstellen eines Signals, das in Beziehung zu dem Cosinus oder Sinus des Winkels zwischen der Bezugsrichtung und dem Magnetfeld in der Empfindlichkeitsebene steht; Bereitstellen eines Signals, das eine Rotationsposition der Magnetfeldquelle um die Rotationsachse durch Kombinieren der Signale aus den Magnetfeld-Erfassungseinrichtungen der N > 1 Sensoreinrichtungen angibt; und Vorkonditionieren und Mitteln der Signale als Teil des Kombinierens, wobei das Vorkonditionieren ein Kombinieren von ganzzahligen Vielfachen, die äquivalent zu 360 Grad sind, mit Eingangsdaten umfasst, um wenigstens eine monoton steigende oder fallende Wertesequenz in einer einzigen Uhrzeiger- oder Gegenuhrzeigerrichtung von Winkelpositionen jeweiliger der N Sensoreinrichtungen zu identifizieren; Interpretieren der Signale der N Sensoreinrichtungen als Winkelwerte; Addieren von ganzzahligen Vielfachen, die äquivalent zu 360° sind, zu ausgewählten der N Winkelwerte, um korrigierte Werte zu bilden, damit sie wenigstens eine monoton steigende oder fallende Sequenz aller N korrigierten Werte in einer einzigen Uhrzeiger- oder Gegenuhrzeigerrichtung von Winkelpositionen jeweiliger der N Sensoreinrichtungen ergeben; und Mitteln dieser korrigierten Werte.
Verfahren nach Anspruch 9, das weiterhin umfasst: Bereitstellen der Magnetfeldquelle, die einen Magneten mit einer Halbach-Magnetisierung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, weiterhin umfassend: Bereitstellen der N > 1 Sensoreinrichtungen auf einem einzigen Die.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9–11, wobei die Magnetfeld-Erfassungseinrichtung ein Hall-Effekt-Element oder ein magnetoresistives Element umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, das weiterhin ein Anordnen der Magnetfeld-Erfassungseinrichtung in einer Halbbrückenschaltung aus zwei magnetoresistiven Elementen mit unterschiedlichen Bezugsrichtungen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9–13, wobei die Empfindlichkeitsebenen der Magnetfeld-Erfassungseinrichtungen jede der N > 1 Sensoreinrichtungen nominell parallel sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9–14, wobei die ganze Zahl des ganzzahligen Vielfachen positiv, negativ oder null ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9–15, das weiterhin umfasst: Subtrahieren jeweiliger Offsets von jedem der Winkelwerte.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9–16, das weiterhin umfasst: Anwenden einer diskreten Fourier-Transformation auf einen Satz von N Signalen der Magnetfeld-Erfassungseinrichtungen als Teil des Kombinierens.