DE102021212873A1 - Magnetwinkelsensor mit symmetrischer geometrischer anordnung - Google Patents

Abstract

Das hierin offenbarte erfinderische Konzept betrifft einen Magnetwinkelsensor (100) und ein Verfahren zum Betreiben desselben. Der Sensor (100) weist eine magnetoresistive Anordnung (110) und eine Magnetquelle (120) auf, die dazu konfiguriert ist, relativ zu der magnetoresistiven Anordnung (110) beweglich zu sein. Die magnetoresistive Anordnung (110) weist Folgendes auf: ein erstes magnetoresistives Element (111), das dazu konfiguriert ist, ein erstes Ausgangssignal (a) zu erzeugen, ein zweites magnetoresistives Element (112), das dazu konfiguriert ist, ein zweites Ausgangssignal (b) zu erzeugen, und ein drittes magnetoresistives Element (113), das dazu konfiguriert ist, ein drittes Ausgangssignal (c) zu erzeugen. Das erste, das zweite und das dritte magnetoresistive Element (111, 112, 113) sind derart relativ zueinander ausgerichtet, dass dieselben eine symmetrische geometrische Anordnung mit gleichen Winkelabständen zwischen einander bilden.

Description

• Allgemeine Beschreibung
• Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf einen Magnetwinkelsensor, der drei magnetoresistive Elemente aufweist, die derart relativ zueinander angeordnet sind, dass sie eine symmetrische geometrische Anordnung mit gleichen Winkelabständen zwischen einander bilden. Durch das Ausnutzen der Vorteile der symmetrischen geometrischen Anordnung ermöglicht das vorliegende Konzept einen Magnetwinkelsensor, der eine bestimmte Sicherheitsanforderungsstufe (SIL, Safety Integrity Level) mit niedrigen Kosten und geringer Komplexität erfüllt.
• Technischer Hintergrund
• Magnetwinkelsensoren können dazu verwendet werden, einen Drehwinkel einer Magnetquelle relativ zu einem Magnetsensor zu bestimmen. Beispiele für Magnetwinkelsensoren können Hall-Sensoren und magnetoresistive Sensoren, so genannte xMR-Sensoren, umfassen, die den magnetoresistiven Effekt ausnutzen. Der magnetoresistive Effekt beschreibt die Änderung eines spezifischen elektrischen Widerstands eines (häufig ferromagnetischen) Materials ansprechend auf ein von außen angelegtes Magnetfeld.
• In sicherheitskritischen Anwendungen müssen die Magnetwinkelsensoren bestimmte Mindestsicherheitsanforderungen erfüllen, die international durch die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC, International Electrotechnical Commission) in dem Standard IEC 61508 / IEC 61511 standardisiert sind. Diese IEC-Standards definieren eine sogenannte Sicherheitsanforderungsstufe (SIL, Safety Integrity Level), die in zwei allgemeine Kategorien gruppierte Anforderungen verwendet: Hardwaresicherheitsanforderungen und systematische Sicherheitsanforderungen. Eine Vorrichtung oder ein System muss die Anforderungen für beide Kategorien erfüllen, um eine jeweilige SIL zu erzielen. Die SIL ist als relative Stufe einer Risikoreduzierung, die durch eine Sicherheitsfunktion bereitgestellt wird, oder dahingehend definiert, eine Zielstufe einer Risikoreduzierung zu spezifizieren. Einfach ausgedrückt ist die SILein Leistungsmaß, das für eine Sicherheitsfunktion erforderlich ist.
• Auf einigen technischen Gebieten wurde eine dedizierte Sicherheitsanforderungsstufe konzipiert. In der Automobilindustrie ist die sogenannte ASIL (Automobilsicherheitsanforderungsstufe, Automative Safety Integrity Level) ein eingesetzter Risikoklassifizierungsstandard, der durch ISO 22262 definiert ist, welcher der Standard für sicherheitsrelevante Systeme in Kraftfahrzeugen (Functional Safety for Road Vehicles) ist. Dies ist eine Adaption der in IEC 61508 verwendeten Sicherheitsanforderungsstufe (SIL) für den Automobilbereich. Die ASIL wird festgestellt, indem eine Risikoanalyse möglicher Gefahren ausgeführt wird, wobei die Schwere, das Risiko und die Steuerbarkeit des Fahrzeugbetriebsszenarios geprüft werden. Das Sicherheitsziel für diese Gefahr trägt wiederum die ASIL-Anforderungen.
• Auf dem Gebiet von Magnetwinkelsensoren müssen diese eine Art von Ausfallsicherheitsanforderungen erfüllen, die beispielsweise mittels Redundanzkonzepten oder dergleichen bereitgestellt werden können. Beispielsweise ist es wünschenswert, redundante Signale und Winkelmessungen mit ein und demselben Sensor bereitzustellen. Ferner ist es wünschenswert, dass exakte Messungen von Magnetfeldkomponenten ausgeführt werden, auch wenn die Feldstärke sehr klein sein kann. Magnetoresistive Winkelsensoren können bevorzugt sein, da sie präzise Messergebnisse auch in schroffen Umgebungen bereitstellen. Jedoch können bestehende magnetoresistive Sensoren, die bestimmte Sicherheitsstandards erfüllen, etwa eine oder mehrere Stufen von SIL oder ASIL, ziemlich komplexe Schaltungsgestaltungen verwenden, was einen Einfluss auf ihren Formfaktor (Größe) und ihre Produktionskosten hat.
• Daher wäre es wünschenswert, magnetoresistive Sensoren mit einer einfachen und somit kosteneffizienten Gestaltung bereitzustellen, die gleichzeitig einen kleinen Formfaktor aufweisen und Anforderungen bestimmter Sicherheitsstandards erfüllen.
• Dieses Ziel wird mittels des hierin offenbarten magnetoresistiven Sensors und des entsprechenden Verfahrens zum Betreiben des magnetoresistiven Sensors gemäß den unabhängigen Ansprüchen erfüllt. Weitere Ausführungsbeispiele und vorteilhafte Aspekte sind in den abhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
• Gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Konzept ist ein Magnetwinkelsensor bereitgestellt, der eine magnetoresistive Anordnung und eine Magnetquelle aufweist, die dazu konfiguriert ist, relativ zu der magnetoresistiven Anordnung beweglich zu sein. Die magnetoresistive Anordnung weist ein erstes magnetoresistives Element, das dazu konfiguriert ist, ein erstes Ausgangssignal in Abhängigkeit einer Positionsbeziehung zwischen der Magnetquelle und dem ersten magnetoresistiven Element zu erzeugen, ein zweites magnetoresistives Element, das dazu konfiguriert ist, ein zweites Ausgangssignal in Abhängigkeit einer Positionsbeziehung zwischen der Magnetquelle und dem zweiten magnetoresistiven Element zu erzeugen, und ein drittes magnetoresistives Element auf, das dazu konfiguriert ist, ein drittes Ausgangssignal in Abhängigkeit einer Positionsbeziehung zwischen der Magnetquelle und dem dritten magnetoresistiven Element zu erzeugen. Gemäß dem erfinderischen Prinzip sind das erste, das zweite und das dritte magnetoresistive Element relativ zueinander derart ausgerichtet, dass sie eine symmetrische geometrische Anordnung mit gleichen Winkelabständen zwischen einander bilden.
• Ferner ist ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Magnetwinkelsensors bereitgestellt, wobei das Verfahren einen Schritt eines Bereitstellens einer magnetoresistiven Anordnung mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten magnetoresistiven Element, die derart relativ zueinander ausgerichtet sind, dass sie eine symmetrische geometrische Anordnung mit gleichen Winkelabständen zwischen einander bilden, aufweist. Das Verfahren weist ferner Schritte eines Ableitens, aus dem ersten magnetoresistiven Element, eines ersten Ausgangssignals (a) in Abhängigkeit einer Positionsbeziehung zwischen einer Magnetquelle und dem ersten magnetoresistiven Element, und eines Ableitens, aus dem zweiten magnetoresistiven Element, eines zweiten Ausgangssignals (b) in Abhängigkeit einer Positionsbeziehung zwischen der Magnetquelle und dem zweiten magnetoresistiven Element, und eines Ableitens, aus dem dritten magnetoresistiven Element, eines dritten Ausgangssignals (c) in Abhängigkeit einer Positionsbeziehung zwischen der Magnetquelle und dem dritten magnetoresistiven Element auf. Das Verfahren weist ferner Schritte eines Bestimmens von drei Differenzsignalen (d₁, d₂, d₃) aus den Ausgangssignalen (a, b, c) auf, wobei ein erstes Differenzsignal (d₁ = b - a) auf einer Differenz zwischen dem ersten Ausgangssignal (a) und dem zweiten Ausgangssignal (b) basiert, ein zweites Differenzsignal (d₂ = c - b) auf einer Differenz zwischen dem zweiten Ausgangssignal (b) und dem dritten Ausgangssignal (c) basiert, und ein drittes Differenzsignal (d₃ = a - c) auf einer Differenz zwischen dem ersten Ausgangssignal (a) und dem dritten Ausgangssignal (c) basiert. Ferner weist das Verfahren Schritte eines Berechnens von zumindest drei Winkelsignalen (α₁, α₂, α₃) aus den drei Differenzsignalen (d₁, d₂, d₃) auf, wobei jedes der drei Winkelsignale (α₁, α₂, α₃) einen Drehwinkel der Magnetquelle relativ zu der magnetoresistiven Anordnung darstellt, wobei ein erstes Winkelsignal (α₁) aus dem ersten Differenzsignal (d₁) und dem zweiten Differenzsignal (d₂) berechnet wird, ein zweites Winkelsignal (α₂) aus dem zweiten Differenzsignal (d₂) und dem dritten Differenzsignal (d₃) berechnet wird, und ein drittes Winkelsignal (α₃) aus dem ersten Differenzsignal (d₁) und dem dritten Differenzsignal (d₃) berechnet wird.
• Ferner sind Computerprogramme bereitgestellt, wobei jedes der Computerprogramme dazu konfiguriert ist, das oben beschriebene Verfahren zu implementieren, wenn dasselbe auf einem Computer oder einem Signalprozessor abläuft, so dass das oben beschriebene Verfahren durch eines der Computerprogramme implementiert wird.
• Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ausführlicher unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, wobei:
• 1 eine schematische Übersicht eines Magnetwinkelsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt,
• 2 eine schematische Übersicht eines Magnetwinkelsensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt,
• 3 den Magnetwinkelsensor aus 1 in Kombination mit einer Kurvenschar zeigt, die die erzeugten unsymmetrischen Signale veranschaulicht,
• 4 den Magnetwinkelsensor aus 1 in Kombination mit einer Kurvenschar zeigt, die die erzeugten Differenzsignale veranschaulicht,
• 5 eine Kurvenschar zeigt, um zu veranschaulichen, wie die Anwendungswinkel aus den Differenzsignalen berechnet werden können,
• 6 ein Vektordiagramm zeigt, um zu veranschaulichen, wie ein viertes Winkelsignal aus den drei Differenzsignalen berechnet werden kann, und wie ein vierter Anwendungswinkel berechnet werden kann,
• 7 eine schematische Darstellung einer möglichen Hardware-Realisierung des Magnetwinkelsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt,
• 8 ein schematisches Flussdiagramm des hierin beschriebenen erfinderischen Prinzips zeigt,
• 9A, 9B einen schematischen Vergleich zwischen dem Magnetwinkelsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel (9B) und einem bestehenden TMR-basierten Winkelsensor (9A) zeigen, und
• 10 ein schematisches Blockdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Magnetwinkelsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt.
• Beschreibung der Figuren
• Gleiche oder äquivalente Elemente oder Elemente mit gleicher oder äquivalenter Funktionalität sind in der folgenden Beschreibung mit gleichen oder äquivalenten Bezugszeichen versehen.
• Verfahrensschritte, die mittels eines Blockdiagramms gezeigt sind und die unter Bezugnahme auf das Blockdiagramm beschrieben sind, können auch in einer Reihenfolge ausgeführt werden, die sich von der gezeigten und/oder beschriebenen Reihenfolge unterscheidet. Ferner können Verfahrensschritte, die ein bestimmtes Merkmal einer Vorrichtung betreffen, mit dem Merkmal der Vorrichtung ersetzt werden und umgekehrt.
• 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Magnetwinkelsensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel des hierin beschriebenen erfinderischen Konzepts. Der Winkelsensor 100 weist eine magnetoresistive Anordnung 110 und eine Magnetquelle 120 auf, die dazu konfiguriert ist, relativ zu der magnetoresistiven Anordnung 110 beweglich zu sein.
• Die Magnetquelle 120 kann einen magnetischen Nordpol 121 und einen magnetischen Südpol 122 aufweisen. Die Magnetquelle 120 kann Magnetfelder erzeugen, beispielsweise planare Magnetfelder (z. B. in der Chipebene), wie mittels eines Pfeils 130 exemplarisch gezeigt ist. Die Magnetquelle 120 kann sich relativ zu der magnetoresistiven Anordnung 110 bewegen. Beispielsweise kann sich die Magnetquelle 120 relativ zu der magnetoresistiven Anordnung 110 um eine Mittelachse 140 drehen, wie beispielsweise in der Ecke unten links in 1 exemplarisch gezeigt ist.
• Die magnetoresistive Anordnung 110 weist ein erstes magnetoresistives Element 111 auf, das dazu konfiguriert ist, ein erstes Ausgangssignal (a) in Abhängigkeit einer Positionsbeziehung zwischen der Magnetquelle 120 und dem ersten magnetoresistiven Element 111 zu erzeugen.
• Die magnetoresistive Anordnung 110 weist ein zweites magnetoresistives Element 112 auf, das dazu konfiguriert ist, ein zweites Ausgangssignal (b) in Abhängigkeit einer Positionsbeziehung zwischen der Magnetquelle 120 und dem zweiten magnetoresistiven Element 112 zu erzeugen.
• Die magnetoresistive Anordnung 110 weist ein drittes magnetoresistives Element 113 auf, das dazu konfiguriert ist, ein drittes Ausgangssignal (c) in Abhängigkeit einer Positionsbeziehung zwischen der Magnetquelle 120 und dem dritten magnetoresistiven Element 113 zu erzeugen.
• Gemäß dem hierin beschriebenen erfinderischen Prinzip sind das erste und das zweite und das dritte magnetoresistive Element 111, 112, 113 derart relativ zueinander ausgerichtet, dass sie eine symmetrische geometrische Anordnung mit gleichen (z. B. äquidistanten) Winkelabständen β zwischen einander bilden. Ein Winkelabstand β kann dem Winkel β zwischen einem der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 und einem benachbarten der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 entsprechen.
• Wie oben erwähnt ist, ist die geometrische Anordnung, in der die magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 angeordnet sind, eine symmetrische geometrische Anordnung, d. h. jedes der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 weist denselben Winkelabstand β zwischen einander auf.
• Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind das erste, das zweite und das dritte magnetoresistive Element 111, 112, 113 in einer symmetrischen Sterntopologie mit einem äquidistanten Winkelabstand von β = 120° zwischen einander angeordnet.
• 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, in dem das erste, das zweite und das dritte magnetoresistive Element 111, 112, 113 in einer symmetrischen gleichwinkligen Dreiecksanordnung mit einem äquidistanten Winkelabstand β = 60° zwischen einander angeordnet sind.
• Jedes der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 kann zumindest einen der folgenden aufweisen:
• • ein TMR-Bauelement (TMR: Tunnel Magnetoresistance bzw. Tunnelmagnetowiderstand),
• • ein GMR-Bauelement (GMR: Giant Magnetoresistance bzw. Riesenmagnetowiderstand),
• • ein CMR-Bauelement (CMR: Colossal Magnetoresistance bzw. kolossaler Magnetowiderstand),
• • ein EMR-Bauelement (EMR: Extraordinary Magnetoresistance bzw. außerordentlicher Magnetowiderstand) und
• • ein AMR-Bauelement (AMR: Anisotropic Magnetoresistance bzw. anisotroper Magnetowiderstand).
• Diese magnetoresistiven Bauelemente können als sogenannte xMR-Bauelemente zusammengefasst werden. Demgemäß kann das erste, das zweite und das dritte magnetoresistive Element 111, 112, 113 zumindest ein xMR-Bauelement aufweisen.
• Wie exemplarisch in 1 und 2 gezeigt ist, kann jedes der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 ein xMR-Bauelement mit zumindest zwei xMR-Elementen 111A, 111B, die in einer Brückenschaltung geschaltet sind, aufweisen oder als diese ausgebildet sein. Somit kann das xMR-Bauelement auch als xMR-Stapel bezeichnet werden. Wenn beispielsweise das xMR-Bauelement ein TMR-Bauelement sein kann, könnte das erste TMR-Element 111A ein erster magnetischer Tunnelkontakt (MTJ, Magnetic Tunnel Junction) sein, während das zweite TMR-Element 111B ein zweiter magnetischer Tunnelkontakt (MTJ) sein könnte. Die zwei xMR-Elemente 111A, 111B können antiparallele Magnetisierungen aufweisen, wie beispielsweise mithilfe der Querpfeile in den jeweiligen xMR-Elementen 111A , 111B gezeigt ist.
• Falls das xMR-Bauelement als AMR-Bauelement konfiguriert wurde, würde es im Vergleich zu GMR- und TMR-Bauelementen (360 Grad) Halbumdrehungssignale (180 Grad) zeigen. Demgemäß ist auch ein AMR-Bauelement für das hierin beschriebene erfinderische Konzept mit einem simplen Teilungsfaktor von 2 anwendbar.
• Die folgenden Ausführungsbeispiele werden unter Bezugnahme auf die oben erwähnte Sterntopologie mit einem äquidistanten Winkelabstand β = 120° (1) zwischen den magnetoresistiven Elementen 111, 112, 113 beschrieben. Jedoch ist das vorliegende erfinderische Konzept auch für die oben erwähnte gleichwinklige Dreieckstopologie mit äquidistantem Winkelabstand β = 60° zwischen den magnetoresistiven Elementen 111, 112, 113 anwendbar.
• 3 zeigt die magnetoresistive Anordnung 110 in der Sterntopologie, die das erste, das zweite und das dritte magnetoresistive Element 111, 112, 113 aufweist. Die magnetoresistive Anordnung 110 erzeugt drei sinusförmige Signale (a), (b), (c), die um einen Betrag, der dem Winkelabstand β entspricht, phasenverschoben sind. Gemäß der Sterntopologie beträgt der äquidistante Winkelabstand β = 120 und somit gilt, dass die Phasendifferenz zwischen jedem der drei sinusförmigen Signale (a), (b), (c) Δθ = 120° beträgt. Für die gleichwinklige Dreieckstopologie (2) beträgt der äquidistante Winkelabstand gleich β = 60° und somit gilt, dass die Phasendifferenz zwischen den drei sinusförmigen Signalen (a), (b), (c) Δθ = 60° beträgt.
• Jedes der drei sinusförmigen Signale (a), (b), (c) kann einen Offset (bzw. Versatz) „O“ aufweisen, der aus homogenen magnetischen Störfeldern abgeleitet werden kann. Dementsprechend kann jedes der drei sinusförmigen Signale (a), (b), (c) eine Amplitude „A“, einen Phasenwinkel θ mit der oben erwähnten Phasendifferenz Δθ und einen Offset-Wert „O“ aufweisen. Demgemäß kann das erste magnetoresistive Element 111 ein erstes Signal a = A · cos( θ ) + 0 erzeugen, das zweite magnetoresistive Element 112 kann ein zweites Signal $b=A\cdot \text{cos}\left(\theta +\frac{2\pi }{3}\right)+0$

  

  erzeugen und das dritte magnetoresistive Element 113 kann ein drittes Signal $c=A\cdot \text{cos}\left(\theta \mathrm{-}\frac{2\pi }{3}\right)+0$

  

  erzeugen. Da diese Signale (a), (b), (c) von einem einzelnen magnetoresistiven Element 111, 112, 113 abgeleitet werden, werden sie hierin auch als unsymmetrische Signale (bzw. single ended Signale) bezeichnet.
• 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Eine Steuerung (nicht gezeigt), die mit der magnetoresistiven Anordnung 110 verbunden ist, kann dazu konfiguriert sein, drei Differenzsignale aus den oben erwähnten unsymmetrischen Ausgangssignalen (a), (b), (c) zu bestimmen, wobei
• • ein erstes Differenzsignal d₁ auf einer Kombination des ersten Ausgangssignals (a) und des zweiten Ausgangssignals (b) basiert, z. B. gemäß: d₁ = b - a (was äquivalent, jedoch mit einem unterschiedlichen Vorzeichen, zu d₁ = a - b wäre),
• • ein zweites Differenzsignal d₂ auf einer Kombination des zweiten Ausgangssignals (b) und des dritten Ausgangssignals (c) basiert, z. B. gemäß: d₂ = c - b (was äquivalent, jedoch mit einem unterschiedlichen Vorzeichen, zu d₂ = b - c wäre), und
• • ein drittes Differenzsignal d₃ auf einer Kombination des ersten Ausgangssignals (a) und des dritten Ausgangssignals (c) basiert, z. B. gemäß: d₃ = a - c (was äquivalent, jedoch mit unterschiedlichen Vorzeichen, zu d₃ = c - a wäre).
• Mit den oben erwähnten Termen, die zu den unsymmetrischen Signalen (a), (b), (c) gehören, würden die Differenzsignale d₁, d₂, d₃ wie folgt lauten: $$d_1=b-a=\sqrt{3}A\cdot \text{sin}\left(\theta -\frac{2\pi }{3}\right)$$

  

  $$d_2=c-\text{b}=\sqrt{3}A\cdot \text{sin}\theta$$

  

  $$d_3=a-c=\sqrt{3}A\cdot \text{sin}\left(\theta +\frac{2\pi }{3}\right)$$

  
• Wie in dem rechten Teil in 4 zu sehen ist, wird der Offset „O“ aufgehoben, die Phasendifferenz Δθ bleibt gleich und die Amplitude „A“ wird um den Faktor $\sqrt{3}$

  

  erhöht.
• Die Differenzsignale d₁, d₂, d₃ können dazu genutzt werden, einen Drehwinkel zwischen der Magnetquelle 120 und der magnetoresistiven Anordnung 110 zu berechnen. Wie in 5 zu sehen ist, können drei unterschiedliche Drehwinkel α₁, α₂, α₃ aus den drei Differenzsignalen d₁, d₂, d₃ berechnet werden, indem die Tangentialfunktion (tan) angewendet wird.
• Somit kann die Steuerung gemäß einigen Ausführungsbeispielen dazu konfiguriert sein, drei Winkelsignale α₁, α₂, α₃ aus den drei Differenzsignalen d₁, d₂, d₃ zu berechnen, wobei jedes der Winkelsignale α₁, α₂, α₃ einen Drehwinkel der Magnetquelle 120 relativ zu der magnetoresistiven Anordnung 110 darstellt, und wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist:
• • ein erstes Winkelsignal α₁ aus einer Kombination des ersten Differenzsignals d₁ und des zweiten Differenzsignals d₂ zu berechnen,
• • ein zweites Winkelsignal α₂ aus einer Kombination des zweiten Differenzsignals d₂ und des dritten Differenzsignals d₃ zu berechnen, und
• • ein drittes Winkelsignal α₃ aus einer Kombination des ersten Differenzsignals d₁ und des dritten Differenzsignals d₃ zu berechnen.
• Im Einzelnen kann das erste Winkelsignal α₁ gemäß der folgenden Gleichung berechnet werden: $${\alpha }_1={\theta }_{21}={\text{tan}}^{-1}\frac{d_2\text{cos}\frac{2\pi }{3}-d_1}{-d_2\text{sin}\frac{2\pi }{3}}$$

  
• Das zweite Winkelsignal α₂ kann gemäß der folgenden Gleichung berechnet werden: $${\alpha }_2={\theta }_{23}={\text{tan}}^{-1}\frac{d_2\text{cos}\frac{2\pi }{3}-d_3}{d_2\text{sin}\frac{2\pi }{3}}$$

  
• Das dritte Winkelsignal α₃ kann gemäß der folgenden Gleichung berechnet werden: $${\alpha }_3={\theta }_{13}={\text{tan}}^{-1}\frac{d_1\text{cos}\frac{2\pi }{3}-d_3}{-d_1\text{sin}\frac{2\pi }{3}}$$

  
• Diese Winkelsignale α₁, α₂, α₃ stellen die Winkelinformationen dar, die von dem Magnetwinkelsensor 120 in seiner jeweiligen Anwendung ausgegeben werden können. Demgemäß können diese Winkelsignale α₁, α₂, α₃ auch als Anwendungssignale bezeichnet werden.
• Zusätzlich zu der Berechnung des Anwendungswinkels kann der Magnetwinkelsensor 100 gemäß dem hierin beschriebenen erfinderischen Konzept auch dazu konfiguriert sein, einen oder mehrere dieser Anwendungswinkel α₁, α₂, α₃ zum Anwenden eines Sicherheitsmechanismus oder einer Sicherheitsmaßnahme zu verwenden. Dies kann ausgeführt werden, um zu überprüfen, ob der Magnetwinkelsensor 100 bestimmte Sicherheitsvorschriften, wie etwa SIL oder ASIL, einhalten kann.
• Beispielsweise kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, eine Sicherheitsmaßnahme auf der Basis des ersten, des zweiten und des dritten Winkelsignals α₁, α₂, α₃ auszuführen, indem das erste, das zweite und das dritte Winkelsignal α₁, α₂, α₃ miteinander verglichen werden, und zu bestimmen, ob dieselben gleich sind oder ob sie voneinander abweichen. Demgemäß kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, zu prüfen, ob Folgendes gilt: $${\alpha }_1\approx {\alpha }_2\approx {\alpha }_3$$

  
• Falls die Steuerung bestimmen kann, dass die Winkelsignale α₁, α₂, α₃ gleich sind, dann kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, abzuleiten, dass die Winkelberechnung aus allen Differenzsignalen d₁, d₂, d₃ korrekt ausgeführt worden ist. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, abzuleiten, dass die Berechnung der Differenzsignale d₁, d₂, d₃ mittels der unsymmetrischen Signale (a), (b), (c) richtig war. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, abzuleiten, dass jedes der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 richtig arbeitet und dass jedes der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 ein gültiges Signal erzeugt hat.
• Es ist zu beachten, dass jedes der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 ein unsymmetrisches Signal (a), (b), (c) erzeugt, das von der aktuellen Drehposition der Magnetquelle 120 relativ zu der magnetoresistiven Anordnung 110 abhängt, jedoch mit unterschiedlichen Phasenwinkeln. Das bedeutet, dass jedes der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 zu jedem Zeitpunkt dasselbe Signal bereitstellt (zumindest in Bezug auf die Amplitude und die Signalform), jedoch mit einem unterschiedlichen Phasenwinkel, z. B. $\theta ,\theta +\frac{2\pi }{3},\text{ und }\theta -\frac{2\pi }{3}.$

  

  $$

  
• Wenn die Steuerung bestimmen kann, dass die Winkelsignale α₁, α₂, α₃ nicht gleich sind, das heißt falls dieselben möglicherweise um einen bestimmen Betrag voneinander abweichen, dann kann die Steuerung demgemäß dazu konfiguriert sein, abzuleiten, dass die Winkelberechnung aus allen Differenzsignalen d₁, d₂, d₃ nicht richtig ausgeführt worden ist. Die Steuerung kann dazu konfiguriert sein, abzuleiten, dass die Berechnung der Differenzsignale d₁, d₂, d₃ mittels der unsymmetrischen Signale (a), (b), (c) falsch war. Ferner kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, abzuleiten, dass zumindest eines der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 nicht richtig arbeitet und dass zumindest eines der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 ein ungültiges Signal erzeugt hat. Demgemäß kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, abzuleiten, dass zumindest eines der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 fehlerhaft sein kann.
• Durch den Vergleich zumindest eines der Winkelsignale α₁, α₂, α₃, der Differenzsignale d₁, d₂, d₃ und der unsymmetrischen Signale (a), (b), (c) kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, zu bestimmen, welches der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 nicht richtig arbeitet oder fehlerhaft sein kann. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, einen Hinweis, z. B. einen akustischen und/oder optischen Alarm, zu erzeugen, um einen Benutzer darüber zu informieren, dass der Magnetwinkelsensor 110 fehlerhaft sein kann, und/oder um einen Benutzer darüber zu informieren, dass eines der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 fehlerhaft sein kann.
• Wenn die Steuerung demgemäß bestimmen kann, dass eines des ersten, des zweiten und des dritten Winkelsignals α₁, α₂, α₃ um einen bestimmten Betrag von den anderen abweicht, d. h. wenn die Steuerung bestimmen kann, dass zumindest eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist: $${\alpha }_1\not\approx {\alpha }_2\not\approx {\alpha }_3$$

  

  $${\alpha }_1\approx {\alpha }_2\not\approx {\alpha }_3$$

  

  $${\alpha }_1\not\approx {\alpha }_2\approx {\alpha }_3$$

  

  $${\alpha }_1\not\approx {\alpha }_3\approx {\alpha }_2$$

  

  $${\alpha }_1\approx {\alpha }_3\not\approx {\alpha }_2$$

  

  dann kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, auf der Basis des bestimmten abweichenden Winkelsignals Folgendes zu detektieren:
• • das eines des ersten, des zweiten und des dritten magnetoresistiven Elements 111, 112, 113 ein fehlerhaftes Ausgangssignal erzeugt, und/oder
• • welches des ersten, des zweiten und des dritten magnetoresistiven Elements 111, 112, 113 ein fehlerhaftes Ausgangssignal erzeugt.
• Gemäß dem hierin beschriebenen erfinderischen Prinzip kann zusätzlich zu den zuvor besprochenen drei Anwendungswinkeln α₁, α₂, α₃ ein vierter Anwendungswinkel α₄ berechnet werden. Der zusätzliche vierte Anwendungswinkel α₄ kann auch für Sicherheitsmaßnahmen verwendet werden, um eine noch höhere Sicherheitsstufe anzuwenden, z. B. beispielsweise im Hinblick auf SIL oder ASIL.
• Wie in 6 zu sehen ist, kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, das vierte Winkelsignal α₄ aus einer Kombination des ersten Differenzsignals d₁ und des zweiten Differenzsignals d₂ und des dritten Differenzsignals d₃ zu berechnen. Das heißt, die Steuerung kann dazu konfiguriert sein, das vierte Winkelsignal α₄ zu berechnen, ohne ein viertes magnetoresistives Element bereitstellen zu müssen. Gemäß dem hierin beschriebenen erfinderischen Konzept können genau drei magnetoresistive Elemente 111, 112, 113 ausreichend sein, um vier unterschiedliche Winkelsignale α₁, α₂, α₃, α₄ zu berechnen, die als Anwendungswinkel und zum Ausführen einer Sicherheitsmaßnahme verwendet werden können.
• Die Steuerung kann dazu konfiguriert sein, das vierte Winkelsignal α₄ aus dem ersten, dem zweiten und dem dritten Differenzsignal d₁, d₂, d₃ gemäß der folgenden Gleichung zu berechnen: $${\alpha }_4={\text{tan}}^{-1}\frac{\frac{\sqrt{3}}{2}\left(d_1-d_3\right)}{d_2-\frac{1}{2}\left(d_1+d_3\right)}$$

  
• Die Darstellung auf der linken Seite in 6 zeigt ein Vektordiagramm zum Veranschaulichen der Berechnung des vierten Winkelsignals α₄ auf der Basis der drei Differenzsignale d₁, d₂ und d₃. Gemäß dem Vektordiagramm ist der Drehvektor des Differenzsignals d₄ die Summe der Drehvektoren der Differenzsignale d₁, d₂, und d₃: Der entsprechende Phasenwinkel α₄ kann gemäß Gleichung 12 berechnet werden.
• Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, einen oder mehrere dieser vier Anwendungswinkel α₁, α₂, α₃, α₄ zum Anwenden eines Sicherheitsmechanismus oder einer Sicherheitsmaßnahme zu verwenden. Dies kann ausgeführt werden, um zu überprüfen, ob der Magnetwinkelsensor 100 bestimmte Sicherheitsvorschriften, etwa SIL oder ASIL, einhalten kann.
• Beispielsweise kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, eine Sicherheitsmaßnahme auf der Basis des ersten, des zweiten, des dritten und des vierten Winkelsignals α₁, α₂, α₃, α₄ auszuführen, indem das erste, das zweite, das dritte und das vierte Winkelsignal α₁, α₂, α₃, α₄ miteinander verglichen werden, und zu bestimmen, ob sie gleich sind oder ob sie voneinander abweichen. Demgemäß kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, zu prüfen, ob Folgendes gilt: $${\alpha }_1\approx {\alpha }_2\approx {\alpha }_3\approx {\alpha }_4$$

  
• Wenn die Steuerung bestimmen kann, dass die Winkelsignale α₁, α₂, α₃, α₄ gleich sind, dann kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, abzuleiten, dass die Winkelberechnung der vier Winkelsignale α₁, α₂, α₃, α₄ aus den drei Differenzsignalen d₁, d₂, d₃ richtig ausgeführt wurde. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, abzuleiten, dass die Berechnung der Differenzsignale d₁, d₂, d₃ mittels der unsymmetrischen Signale (a), (b), (c) richtig war. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, abzuleiten, dass jedes der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 richtig arbeiten kann und dass jedes der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 ein gültiges Signal erzeugt hat.
• Falls die Steuerung wiederum bestimmen kann, dass die Winkelsignale α₁, α₂, α₃ nicht gleich sind, d. h. falls dieselben möglicherweise um einen bestimmten Betrag voneinander abweichen, dann kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, abzuleiten, dass die Winkelberechnung der vier Signale α₁, α₂, α₃, α₄ aus den drei Differenzsignalen d₁, d₂, d₃ nicht richtig ausgeführt wurde. Die Steuerung kann dazu konfiguriert sein, abzuleiten, dass die Berechnung der Differenzsignale d₁, d₂, da mittels der unsymmetrischen Signale (a), (b), (c) falsch war. Ferner kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, abzuleiten, dass zumindest eines der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 nicht richtig arbeitet und dass zumindest eines der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 ein ungültiges Signal erzeugt hat. Demgemäß kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, abzuleiten, dass zumindest eines der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 fehlerhaft sein kann.
• Durch den Vergleich zumindest eines der Winkelsignale α₁, α₂, α₃, α₄ der Differenzsignale d₁, d₂, d₃ und der unsymmetrischen Signale (a), (b), (c) kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, zu bestimmen, welches der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 nicht richtig arbeiten kann oder fehlerhaft sein kann. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, einen Hinweis, z. B. einen akustischen und/oder optischen Alarm, zu erzeugen, um einen Benutzer darüber zu informieren, dass der Magnetwinkelsensor 100 fehlerhaft sein kann, und/oder um einen Benutzer darüber zu informieren, welches der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 fehlerhaft sein kann.
• Falls die Steuerung demgemäß bestimmen kann, dass eines des ersten, des zweiten, des dritten und des vierten Winkelsignals α₁, α₂, α₃, α₄ um einen bestimmten Betrag von den anderen abweicht, dann kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, auf der Basis des bestimmten abweichenden Winkelsignals Folgendes zu detektieren:
• • dass eines des ersten, des zweiten und des dritten magnetoresistiven Elements 111, 112, 113 ein fehlerhaftes Ausgangssignal erzeugt, und/oder
• • welches des ersten, des zweiten und des dritten magnetoresistiven Elements 111, 112, 113 ein fehlerhaftes Ausgangssignal erzeugt.
• Zusätzlich oder alternativ zu der oben erwähnten Berechnung der vier Winkelsignale α₁, α₂, α₃, α₄ aus den drei Differenzsignalen d₁, d₂, d₃ aus Sicherheitsgründen, kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, die Sicherheitsstufe zu verbessern/zu erweitern, indem eine weitere doppelte Sicherheitsprüfung gemäß der folgenden Gleichung ausgeführt wird: $${\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\left(d_1-d_3\right)\right)}^2+{\left(d_2-\frac{1}{2}\left(d_1+d_3\right)\right)}^2\approx \text{constant}$$

  
• Gemäß der obigen Gleichung 14 kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, eine Sicherheitsmaßnahme auf der Basis des ersten, des zweiten und des dritten Differenzsignals d₁, d₂, d₃ auszuführen, indem überprüft wird, ob eine Summe eines ersten quadratischen Terms, der das erste und das dritte Differenzsignal d₁, d₃ enthält, und eines zweiten quadratischen Terms, der das erste und das zweite und das dritte Differenzsignal d₁, d₂, d₃ enthält, konstant ist.
• Der erste quadratische Term ${\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\left(d_1-d_3\right)\right)}^2$

  

  kann cos² des vierten Winkelsignals α₄ entsprechen, während der zweite quadratische Term ${\left(d_2-\frac{1}{2}\left(d_1+d_3\right)\right)}^2$

  

  des vierten Winkelsignals α₄ entsprechen kann. Demgemäß kann auf der Basis des vierten Winkelsignals α₄ geprüft werden, ob das Kriterium cos²α₄ + sin²α₄ = 1 erfüllt ist.
• Falls die Steuerung bestimmen kann, dass das Kriterium gemäß Gleichung 14 erfüllt ist, dann kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, abzuleiten, dass die Winkelberechnung der vier Winkelsignale α₁, α₂, α₃, α₄aus den drei Differenzsignalen d₁, d₂, d₃ richtig ausgeführt wurde. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, abzuleiten, dass die Berechnung der Differenzsignale d₁, d₂, d₃ mittels der unsymmetrischen Signale (a), (b), (c) richtig war. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, abzuleiten, dass jedes der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 richtig arbeiten kann und dass jedes der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 ein gültiges Signal erzeugt hat.
• Falls die Steuerung wiederum bestimmen kann, dass das Kriterium gemäß Gleichung 14 nicht erfüllt ist, dann kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, abzuleiten, dass die Winkelberechnung der vier Winkelsignale α₁, α₂, α₃, α₄ aus den drei Differenzsignalen d₁, d₂, d₃ nicht richtig ausgeführt wurde. Die Steuerung kann dazu konfiguriert sein, abzuleiten, dass die Berechnung der Differenzsignale d₁, d₂, d₃ mittels der unsymmetrischen Signale (a), (b), (c) falsch war. Ferner kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, abzuleiten, dass zumindest eines der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 nicht richtig arbeitet und dass zumindest eines der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 ein ungültiges Signal erzeugt hat. Demgemäß kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, abzuleiten, dass zumindest eines der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 fehlerhaft sein kann. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, zu bestimmen, welches der magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 nicht richtig arbeiten kann oder fehlerhaft sein kann.
• 7 zeigt eine mögliche Hardware-Konfiguration des hierin beschriebenen Magnetwinkelsensors 100. Die magnetoresistive Anordnung 110 kann die oben erwähnten drei magnetoresistiven Elemente 111, 112, 113 aufweisen, die derart relativ zueinander ausgerichtet sind, dass sie eine symmetrische geometrische Anordnung mit gleichen Winkelabständen zwischen einander bilden, z. B. eine Sterntopologie mit einem Winkelabstand von 120° oder eine gleichwinklige Dreieckskonfiguration mit einem äquidistanten Winkelabstand von 60°.
• Das erste magnetoresistive Element 111 kann das erste analoge Ausgangssignal (a) erzeugen. Das zweite magnetoresistive Element 112 kann das zweite analoge Ausgangssignal (b) erzeugen. Das dritte magnetoresistive Element 113 kann das dritte analoge Ausgangssignal (c) erzeugen. Das erste, das zweite und das dritte analoge Ausgangssignal (a), (b), (c) können in die Steuerung 150 geführt werden.
• Die Steuerung 150 kann einen ADC (Analog-Digital-Wandler, ADC = Analog-to-Digital Converter) zum Diskretisieren der analogen Ausgangssignale (a), (b), (c) aufweisen. Beispielsweise kann ein erster Analog-Digital-Wandler „ADC1“ dazu konfiguriert sein, das erste analoge Ausgangssignal (a) in ein erstes digitales Ausgangssignal umzuwandeln, ein zweiter Analog-Digital-Wandler „ADC2“ kann dazu konfiguriert sein, das zweite analoge Ausgangssignal (b) in ein zweites digitales Ausgangssignal umzuwandeln, und ein dritter Analog-Digital-Wandler „ADC3“ kann dazu konfiguriert sein, das dritte analoge Ausgangssignal (c) in ein drittes digitales Ausgangssignal umzuwandeln.
• Der Magnetwinkelsensor 100 kann, wie in 7 gezeigt ist, derart realisiert werden, dass die magnetoresistive Anordnung 110 als Analogsensor mit einem externen Prozessor (Steuerung) 150 konfiguriert ist. Alternativ dazu kann der Winkelsensor 100 derart realisiert werden, dass die magnetoresistive Anordnung 110 und die Steuerung 150 in einen einzelnem Schritt integriert sind, wobei die Steuerung 150 als integrierter DSP (digitaler Signalprozessor) konfiguriert ist.
• 8 zeigt eine schematische Übersicht des hierin beschriebenen erfinderischen Prinzips. Diese schematische Ansicht nimmt an, dass der Magnetwinkelsensor 100, wie in 7 gezeigt ist, mit den oben beschriebenen Analog-Digital-Wandlern realisiert ist. Jedoch ist diese auch für einen einzelnen Chip mit DSP anwendbar.
• In Block 181 wird die Differenzmessung ausgeführt, gemäß der die drei Differenzsignale d₁, d₂, d₃ aus den drei unsymmetrischen Signalen (a), (b), (c) berechnet werden, wie oben unter Bezugnahme auf Gleichungen 1, 2 und 3 beschrieben ist. Wie in Block 181 zu sehen ist, kann dies durch die Nutzung der Ausgänge der Analog-Digital-Wandler „ADC1“, „ADC2“ und „ADC3“ erfolgen. Um zu betonen, dass die drei Differenzsignale noch nicht normalisiert wurden, können sie in Block 181 mit den Großbuchstaben D₁, D₂, D₃ bezeichnet werden.
• Block 181 zeigt einen optionalen Schritt, wobei die Differenzsignale D_1, D₂, D₃ möglicherweise nicht normalisiert sind, z. B. durch Ausführen einer AOP-(Amplituden, Phasen, Offset)-Kalibrierung.
• In Block 183 können die oben beschriebenen zumindest drei, vorzugsweise die oben beschriebenen genau vier, Winkelsignale α₁, α₂, α₃, α₄ aus den drei Differenzsignalen d₁, d₂, d₃ berechnet werden, wie oben unter Bezugnahme auf Gleichungen 4, 5, 6 und 12 beschrieben ist. Diese vier Winkelsignale α₁, α₂, α₃, α₄ können als die sogenannten Anwendungswinkel verwendet werden. Das heißt, diese vier Winkelsignale α₁, α₂, α₃, α₄ können die Winkelposition der Magnetquelle 120 relativ zu der magnetoresistiven Anordnung 110 darstellen und angeben.
• Der Magnetwinkelsensor 100 des hierin beschriebenen erfinderischen Konzepts kann dazu konfiguriert sein, Mechanismen zur Prüfung von Sicherheitsanforderungen zum Verbessern seiner Sicherheitsanforderungsstufen bereitzustellen. Demgemäß können in Block 184 zwei unterschiedliche Sicherheitsmaßnahmen ausgeführt werden, wobei bei einer ersten Sicherheitsmaßnahme die berechneten Winkelsignale α₁, α₂, α₃, α₄ miteinander verglichen werden können, um eine Abweichung zumindest eines der vier Winkelsignale α₁, α₂, α₃, α₄ zu bestimmen, d. h. die Steuerung 150 kann dazu konfiguriert sein, zu prüfen, ob α₁ ≈ α₂ ≈ α₃ ≈ α₄ gilt.
• Zusätzlich oder alternativ dazu können bei einer zweiten Sicherheitsmaßnahme die Differenzsignale d₁, d₂, d₃ für eine zusätzliche Sicherheitsanforderungsprüfung verwendet werden, wobei die Steuerung 150 dazu konfiguriert ist, zu prüfen, ob das Kriterium ${\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\left(d_1-d_3\right)\right)}^2+{\left(d_2-\frac{1}{2}\left(d_1+d_3\right)\right)}^2\approx \text{constant}$

  

  erfüllt ist.
• 9A und 9B zeigen eine Übersicht der Vorteile des hierin beschriebenen erfinderischen Magnetwinkelsensors 100 (9B) im Vergleich zu bestehenden TMR-basierten Sensoren 900 (9A).
• Das bestehende Sensorkonzept verwendet vier TMR-Elemente 911, 912, 913, 914, wobei jedes TMR-Element ein Paar von zwei TMR-Stapeln 901, ..., 908 aufweist. Insgesamt verwendet der bestehende Sensor 900 acht TMR-Stapel 901, ..., 908. Da vier TMR-Elemente 911, 912, 913, 914 erforderlich sind, wird dementsprechend ein 4-Kanal-ADC benötigt.
• Zwei TMR-Elemente 911, 912 sind in einer positiven Brückenschaltung verbunden, während zwei andere TMR-Elemente 913, 914 in einer negativen Brückenschaltung verbunden sind. Jedes Paar, d. h. jedes TMR-Element 911, 912, 913, 914, erzeugt ein cos-Signal und ein sin-Signal. Demgemäß erzeugt die negative Brücke ein negatives cos-Signal 921 und ein negatives sin-Signal 922 und die positive Brücke erzeugt ein positives cos-Signal 923 und ein positives sin-Signal 924.
• Bei diesem bestehenden Sensorkonzept können zwei Differenzsignale erzeugt werden, nämlich (SIN-P - COS_P) und (SIN_N - COS_N). Aus diesen zwei Differenzsignalen kann somit lediglich ein Anwendungswinkel berechnet werden. Und aus den vier unsymmetrischen Signalen können zwei Anwendungswinkel für Sicherheitsmaßnahmen verwendet werden.
• Das hierin beschriebene erfinderische Konzept verwendet stattdessen lediglich drei magnetoresistive Elemente 111, 112, 113. Jedes magnetoresistive Element 111, 112, 113 kann zwei magnetoresistive Stapel aufweisen. Somit werden in dem vorliegenden Magnetwinkelsensor 100 statt acht TMR-Stapeln, wie bei dem bestehenden Sensorkonzept 900, lediglich sechs magnetoresistive Stapel verwendet.
• Da lediglich drei magnetoresistive Elemente 111, 112, 113 verwendet werden, ist statt eines 4-Kanal-ADC, wie bei dem bestehenden Sensorkonzept 900, ein 3-Kanal-ADC ausreichend. Mit diesen drei magnetoresistiven Elementen 111, 112, 113, die in der symmetrischen magnetoresistiven Anordnung 110 wie hierin beschrieben angeordnet sind, können statt zwei Differenzsignalen, wie bei dem bestehenden Sensorkonzept 900, drei Differenzsignale d₁, d₂, d₃ erzeugt werden.
• Mit dem vorliegenden erfinderischen Magnetwinkelsensor 100 können statt lediglich eines Anwendungswinkels, wie bei dem bestehenden Sensorkonzept 900, vier Anwendungswinkel α₁, α₂, α₃, α₄, berechnet werden. Ferner können gemäß dem erfinderischen Magnetwinkelsensor 100 statt lediglich zweier Winkel, wie bei dem bestehenden Sensorkonzept 900, diese vier Winkelsignale α₁, α₂, α₃, α₄, auch für Sicherheitsmaßnahmen verwendet werden.
• 10 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Magnetwinkelsensors 100 gemäß dem hierin beschriebenen erfinderischen Prinzip.
• In Block 201 wird eine magnetoresistive Anordnung 110 mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten magnetoresistiven Element 111, 112, 113 bereitgestellt, die derart relativ zueinander ausgerichtet sind, dass sie eine symmetrische geometrische (z. B. Stern- oder gleichwinklige Dreiecks-) Anordnung mit gleichen Winkelabständen zwischen einander bilden.
• Im Block 202 wird ein erstes unsymmetrisches Ausgangssignal (a) von dem ersten magnetoresistiven Element 111 abgeleitet, wobei das erste Ausgangssignal (a) von einer Positionsbeziehung zwischen einer Magnetquelle 120 und dem ersten magnetoresistiven Element 112 abhängt. Ferner wird ein zweites unsymmetrisches Ausgangssignal (b) von dem zweiten magnetoresistiven Element 112 abgeleitet, wobei das zweite Ausgangssignal (b) von einer Positionsbeziehung zwischen der Magnetquelle 120 und dem zweiten magnetoresistiven Element 112 abhängt. Weiterhin wird ein drittes unsymmetrisches Ausgangssignal (c) von dem dritten magnetoresistiven Element 113 abgeleitet, wobei das dritte Ausgangssignal (c) von einer Positionsbeziehung zwischen der Magnetquelle 120 und dem dritten magnetoresistiven Element 113 abhängt.
• In Block 203 werden drei Differenzsignale d₁, d₂, d₃ aus den unsymmetrischen Ausgangssignalen (a), (b), (c) bestimmt, wobei
• • ein erstes Differenzsignal d₁ = b - a auf einer Kombination des ersten Ausgangssignals (a) und des zweiten Ausgangssignals (b) basiert,
• • ein zweites Differenzsignal d₂ = c- b auf einer Kombination des zweiten Ausgangssignals (b) und des dritten Ausgangssignals (c) basiert, und
• • ein drittes Differenzsignal d₃ = a - c auf einer Kombination des ersten Ausgangssignals (a) und des dritten Ausgangssignals (c) basiert.
• In Block 204 werden zumindest drei Winkelsignale α₁, α₂, α₃ aus den drei Differenzsignalen d₁, d₂, d₃ berechnet, wobei jedes der drei Winkelsignale α₁, α₂, α₃ einen Drehwinkel der Magnetquelle 120 relativ zu der magnetoresistiven Anordnung 110 darstellt, wobei
• • ein erstes Winkelsignal α₁ aus dem ersten Differenzsignal d₁ und dem zweiten Differenzsignal d₂ berechnet wird,
• • ein zweites Winkelsignal α₂ aus dem zweiten Differenzsignal d₂ und dem dritten Differenzsignal d₃, berechnet wird, und
• • ein drittes Winkelsignal α₃ aus dem ersten Differenzsignal d₁ und dem dritten Differenzsignal d₃ berechnet wird.
• Wie oben erwähnt ist, können genau drei Winkelsignale α₁, α₂, α₃ oder sogar genau vier Winkelsignale α₁, α₂, α₃ und α₄ aus den drei Differenzsignalen d_1, d₂, d₃ berechnet werden. Ferner können zwei unterschiedliche Sicherheitsmaßnahmen ausgeführt werden, indem geprüft wird, ob $${\alpha }_1\approx {\alpha }_2\approx {\alpha }_3\approx {\alpha }_4$$

  

  und/oder indem geprüft wird, ob $${\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\left(d_1-d_3\right)\right)}^2+{\left(d_2-\frac{1}{2}\left(d_1+d_3\right)\right)}^2\approx \text{constant}$$

  
• Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wobei ein Block oder ein Bauelement einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschrittes entspricht. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
• Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch eine Hardware-Vorrichtung (oder unter Verwendung derselben) ausgeführt werden, wie zum Beispiel ein Mikroprozessor, ein programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch eine solche Vorrichtung ausgeführt werden.
• Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
• Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
• Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft. Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
• Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
• Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger, das digitale Speichermedium oder das aufgezeichnete Medium sind üblicherweise greifbar bzw. nicht-flüchtig.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das dazu konfiguriert ist, ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren an einen Empfänger (beispielsweise elektronisch oder optisch) zu übertragen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms an den Empfänger umfassen.
• Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt.
• Die hierin beschriebene Vorrichtung kann unter Verwendung einer Hardware-Vorrichtung oder unter Verwendung eines Computers oder unter Verwendung einer Kombination aus Hardware-Vorrichtung und Computer implementiert werden.
• Die hierin beschriebenen Verfahren können unter Verwendung einer Hardware-Vorrichtung oder unter Verwendung eines Computers oder unter Verwendung einer Kombination aus Hardware-Vorrichtung und Computer implementiert werden.
• Obwohl die Offenbarung unter Bezugnahme auf veranschaulichende Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Beschreibung in einschränkender Weise anzusehen ist. Unterschiedliche Modifikationen und Variationen der hierin veranschaulichten Ausführungsbeispiele, sowie andere Ausführungsbeispiele der Offenbarung, werden Fachleuten bei Durchsicht der Beschreibung einleuchten. Deshalb ist beabsichtigt, dass die nachstehenden Patentansprüche jegliche Modifikationen oder Ausführungsbeispiele umfassen.

Claims (15)

1. Ein Magnetwinkelsensor (100), der folgende Merkmale aufweist: eine magnetoresistive Anordnung (110) und eine Magnetquelle (120), die dazu konfiguriert ist, relativ zu der magnetoresistiven Anordnung (110) beweglich zu sein, wobei die magnetoresistive Anordnung (110) folgende Merkmale aufweist: ein erstes magnetoresistives Element (111), das dazu konfiguriert ist, ein erstes Ausgangssignal (a) in Abhängigkeit einer Positionsbeziehung zwischen der Magnetquelle (120) und dem ersten magnetoresistiven Element (111) zu erzeugen, ein zweites magnetoresistives Element (112), das dazu konfiguriert ist, ein zweites Ausgangssignal (b) in Abhängigkeit einer Positionsbeziehung zwischen der Magnetquelle (120) und dem zweiten magnetoresistiven Element (112) zu erzeugen, und ein drittes magnetoresistives Element (113), das dazu konfiguriert ist, ein drittes Ausgangssignal (c) in Abhängigkeit einer Positionsbeziehung zwischen der Magnetquelle (120) und dem dritten magnetoresistiven Element (113) zu erzeugen, wobei das erste, das zweite und das dritte magnetoresistive Element (111, 112, 113) derart relativ zueinander ausgerichtet sind, dass dieselben eine symmetrische geometrische Anordnung mit gleichen Winkelabständen zwischen einander bilden.
2. Der Magnetwinkelsensor (100) gemäß Anspruch 1, wobei das erste, das zweite und das dritte magnetoresistive Element (111, 112, 113) in einer symmetrischen Sternanordnung mit einem Winkelabstand von 120° zwischen einander angeordnet sind.
3. Der Magnetwinkelsensor (100) gemäß Anspruch 1, wobei das erste, das zweite und das dritte magnetoresistive Element (111, 112, 113) in einer symmetrischen gleichwinkligen Dreiecksanordnung mit einem Winkelabstand von 60° zwischen einander angeordnet sind.
4. Der Magnetwinkelsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, der ferner eine Steuerung aufweist, die dazu konfiguriert ist, drei Differenzsignale (d₁, d₂, d₃) zu bestimmen, wobei • ein erstes Differenzsignal (d₁ = b - a) auf einer Kombination des ersten Ausgangssignals (a) und des zweiten Ausgangssignals (b) basiert, • ein zweites Differenzsignal (d₂ = c - b) auf einer Kombination des zweiten Ausgangssignals (b) und des dritten Ausgangssignals (c) basiert, und • ein drittes Differenzsignal (d₃ = a - c) auf einer Kombination des ersten Ausgangssignals (a) und des dritten Ausgangssignals (c) basiert.
5. Der Magnetwinkelsensor (100) gemäß Anspruch 4, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, drei Winkelsignale (α_1, α₂, α₃) aus den drei Differenzsignalen (d₁, d₂, d₃) zu berechnen, wobei jedes der Winkelsignale (α_1, α₂, α₃) einen Drehwinkel der Magnetquelle (120) relativ zu der magnetoresistiven Anordnung (110) darstellt, und wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist: • ein erstes Winkelsignal (α₁) aus einer Kombination des ersten Differenzsignals (d₁) und des zweiten Differenzsignals (d₂) zu berechnen, • ein zweites Winkelsignal (α₂) aus einer Kombination des zweiten Differenzsignals (d₂) und des dritten Differenzsignals (d₃) zu berechnen, und • ein drittes Winkelsignal (α₃) aus einer Kombination des ersten Differenzsignals (d₁) und des dritten Differenzsignals (d₃) zu berechnen,
6. Der Magnetwinkelsensor (100) gemäß Anspruch 5, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, eine Sicherheitsmaßnahme auf der Basis des ersten, des zweiten und des dritten Winkelsignals (α_1, α₂, α₃) auszuführen, durch Vergleichen des ersten, des zweiten und des dritten Winkelsignals (α_1, α₂, α₃) miteinander, und zu bestimmen, ob dieselben gleich sind oder ob sie voneinander abweichen.
7. Der Magnetwinkelsensor (100) gemäß Anspruch 6, wobei falls die Steuerung bestimmt, dass eines des ersten, des zweiten und des dritten Winkelsignals (α_1, α₂, α₃) um einen bestimmten Betrag von den anderen abweicht, die Steuerung dann dazu konfiguriert ist, auf der Basis des bestimmten abweichenden Winkelsignals zu detektieren: • dass eines des ersten, des zweiten und des dritten magnetoresistiven Elements (111, 112, 113) ein fehlerhaftes Ausgangssignal erzeugt, und/oder • welches des ersten, des zweiten und des dritten magnetoresistiven Elements (111, 112, 113) ein fehlerhaftes Ausgangssignal erzeugt.
8. Der Magnetwinkelsensor (100) gemäß Anspruch 5, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, ein viertes Winkelsignal (α₄) aus einer Kombination des ersten Differenzsignals (d₁) und des zweiten Differenzsignals (d₂) und des dritten Differenzsignals (d₃) zu berechnen.
9. Der Magnetwinkelsensor (100) gemäß Anspruch 8, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, das erste, das zweite, das dritte und das vierte Winkelsignal (α₁, α₂, α₃, α₄) miteinander zu vergleichen, und zu bestimmen, ob diese gleich sind oder ob sie voneinander abweichen.
10. Der Magnetwinkelsensor (100) gemäß Anspruch 9, wobei falls die Steuerung bestimmt, dass eines des ersten, des zweiten, des dritten und des vierten Winkelsignals (α_1, α₂, α₃, α₄) um einen bestimmten Betrag von den anderen abweicht, die Steuerung dann dazu konfiguriert ist, auf der Basis des bestimmten abweichenden Winkelsignals zu bestimmen: • dass eines des ersten, des zweiten und des dritten magnetoresistiven Elements (111, 112, 113) ein fehlerhaftes Ausgangssignal erzeugt, und/oder • welches des ersten, des zweiten und des dritten magnetoresistiven Elements (111, 112, 113) ein fehlerhaftes Ausgangssignal erzeugt.
11. Der Magnetwinkelsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, eine Sicherheitsmaßnahme auf der Basis des ersten, des zweiten und des dritten Differenzsignals (d₁, d₂, d₃) auszuführen, durch Prüfen, ob eine Summe eines ersten quadratischen Terms, der das erste und das dritte Differenzsignal (d₁, d₃) enthält, und eines zweiten quadratischen Terms, der das erste und das zweite und das dritte Differenzsignal (d₁, d₂, d₃) enthält, konstant ist.
12. Der Magnetwinkelsensor (100) gemäß Anspruch 11, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, die Sicherheitsmaßnahme auf der Basis der folgenden Gleichung auszuführen: $${\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\left(d_1-d_3\right)\right)}^2+{\left(d_2-\frac{1}{2}\left(d_1+d_3\right)\right)}^2\approx \text{constant}$$

    

    wobei d₁ das erste Differenzsignal darstellt, d₂ das zweite Differenzsignal darstellt und d₃ das dritte Differenzsignal darstellt.
13. Der Magnetwinkelsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das erste, das zweite und das dritte magnetoresistive Element (111, 112, 113) zumindest eines der folgenden aufweist: • ein TMR-Bauelement (TMR: Tunnel Magnetoresistance bzw. Tunnelmagnetowiderstand), • ein GMR-Bauelement (GMR: Giant Magnetoresistance bzw. Riesenmagnetowiderstand), • ein CMR-Bauelement (CMR: Colossal Magnetoresistance bzw. kolossaler Magnetowiderstand), • ein EMR-Bauelement (EMR: Extraordinary Magnetoresistance bzw. außerordentlicher Magnetowiderstand) und • ein AMR-Bauelement (AMR: Anisotropic Magnetoresistance bzw. anisotroper Magnetowiderstand).
14. Ein Verfahren zum Betreiben eines Magnetwinkelsensors (100), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen einer magnetoresistiven Anordnung (110) mit einem ersten, zweiten und dritten magnetoresistiven Element (111, 112, 113), die derart relativ zueinander ausgerichtet sind, dass dieselben eine symmetrische geometrische Anordnung mit gleichen Winkelabständen zwischen einander bilden, Ableiten, aus dem ersten magnetoresistiven Element (111), eines ersten Ausgangssignals (a) in Abhängigkeit einer Positionsbeziehung zwischen einer Magnetquelle (120) und dem ersten magnetoresistiven Element (111), Ableiten, aus dem zweiten magnetoresistiven Element (112), eines zweiten Ausgangssignals (b) in Abhängigkeit einer Positionsbeziehung zwischen der Magnetquelle (120) und dem zweiten magnetoresistiven Element (112), Ableiten, aus dem dritten magnetoresistiven Element (113), eines dritten Ausgangssignals (c) in Abhängigkeit einer Positionsbeziehung zwischen der Magnetquelle (120) und dem dritten magnetoresistiven Element (113), Bestimmen von drei Differenzsignalen (d₁, d₂, d₃) aus den Ausgangssignalen (a, b, c), wobei • ein erstes Differenzsignal (d₁ = b - a) auf einer Kombination des ersten Ausgangssignals (a) und des zweiten Ausgangssignals (b) basiert, • ein zweites Differenzsignal (d₂ = c - b) auf einer Kombination des zweiten Ausgangssignals (b) und des dritten Ausgangssignals (c) basiert, und • ein drittes Differenzsignal (d₃ = a - c) auf einer Kombination des ersten Ausgangssignals (a) und des dritten Ausgangssignals (c) basiert, und Berechnen von zumindest drei Winkelsignalen (α_1, α₂, α₃) aus den drei Differenzsignalen (d₁, d₂, d₃), wobei jedes der drei Winkelsignale (α_1, α₂, α₃) einen Drehwinkel der Magnetquelle (120) relativ zu der magnetoresistiven Anordnung (110) darstellt, wobei • ein erstes Winkelsignal (α₁) aus dem ersten Differenzsignal (d₁) und dem zweiten Differenzsignal (d₂) berechnet wird, • ein zweites Winkelsignal (α₂) aus dem zweiten Differenzsignal (d₂) und dem dritten Differenzsignal (d₃) berechnet wird, und • ein drittes Winkelsignal (α₃) aus dem ersten Differenzsignal (d₁) und dem dritten Differenzsignal (d₃) berechnet wird.
15. Ein computerlesbares digitales Speichermedium, auf dem ein Computerprogramm mit einem Programmcode gespeichert ist, zum Ausführen, wenn dasselbe auf einem Computer abläuft, eines Verfahrens gemäß Anspruch 14.

Images