DE102007054801B4

DE102007054801B4 - Messverfahren, Sensoranordnung und Verfahren zum Aufbau eines Messsystems

Info

Publication number: DE102007054801B4
Application number: DE102007054801.1A
Authority: DE
Inventors: Philippe Feledziak; Marcel Urban
Original assignee: Austriamicrosystems AG
Current assignee: Ams Osram AG
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2015-12-03
Anticipated expiration: 2027-11-17
Also published as: US8324893B2; US20110062950A1; WO2009062958A2; WO2009062958A3; DE102007054801A1

Abstract

Messverfahren, umfassend – Bereitstellen einer Vielzahl von Magnetfeldsensoren (MS0–MS15), die entlang eines kreisförmigen Umfangs (CIR) angeordnet sind und jeweils eingerichtet sind, ein Sensorsignal (H0–H15) in Abhängigkeit einer magnetischen Feldintensität abzugeben; – Bereitstellen einer diametral magnetisierten Magnetquelle (MAG), welche über dem kreisförmigen Umfang (CIR) drehbar um eine Rotationsachse (RA) gelagert ist und eine durch die Rotationsachse (RA) verlaufende diametrale Achse (AX) aufweist, die durch einen Referenzwertübergang (RVT) definiert ist; – Empfangen eines ersten Satzes von Sensorsignalen von der Vielzahl von Magnetfeldsensoren (MS0–MS15); – Bestimmen einer ersten Ausrichtung (AL1) der Achse (AX) mit Bezug auf die Vielzahl von Magnetfeldsensoren (MS0–MS15) als Funktion des ersten Satzes von Sensorsignalen; – Drehen der Magnetquelle (MAG) um die Rotationsachse (RA); – Empfangen eines zweiten Satzes von Sensorsignalen von der Vielzahl von Magnetfeldsensoren (MS0–MS15); – Bestimmen einer zweiten Ausrichtung (AL2) der Achse (AX) als Funktion des zweiten Satzes von Sensorsignalen; und – Bestimmen einer Position (X0, Y0) der Rotationsachse (RA) mit Bezug auf die Vielzahl von Magnetfeldsensoren (MS0–MS15) in Abhängigkeit der ersten und der zweiten Ausrichtung (AL1, AL2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Messverfahren, eine Sensoranordnung zur Verwendung mit einer diametral magnetisierten Magnetquelle sowie ein Verfahren zum Aufbau eines Messsystems mit einer solchen Sensoranordnung.
Sensoranordnungen, welche Magnetfeldsensoren zur Messung einer magnetischen Feldintensität umfassen, können benutzt werden, um eine winkelmäßige Abweichung einer Magnetquelle in Bezug auf die Position oder Ausrichtung der Magnetfeldsensoren zu bestimmen. Als Magnetquellen werden dabei vielfach diametral magnetisierte und drehbar gelagerte Magnetquellen verwendet.
Die Magnetfeldsensoren können dabei beispielsweise entlang eines kreisförmigen Umfangs angeordnet sein und über diesen Umfang Sensorsignale bereitstellen, die ungefähr eine sinusförmige Kurve bilden, abhängig von der Position und der Ausrichtung der Magnetquelle. Bei einem diametral magnetisierten Magneten lassen sich beispielsweise Sensorsignale von Magnetfeldsensoren derart auswerten, dass sich anhand der gemessenen Sensorsignale ein Drehwinkel der Magnetquelle innerhalb einer vollen Umdrehung von 360° bestimmen lässt.
Beispielhafte Verfahren und Anordnungen zur Bestimmung eines Drehwinkels sind beispielsweise in der Druckschrift EP 07004585.1 offenbart, die hiermit in Gesamtheit ihrer Offenbarung durch Referenz aufgenommen wird.
Für eine genaue Winkelbestimmung ist es jedoch vorteilhaft, wenn eine Rotationsachse des Magneten durch das Zentrum der kreisförmig angeordneten Magnetfeldsensoren verläuft. In diesem Fall tritt nämlich ein gleichmäßiger sinusförmiger Verlauf über alle Magnetfeldsensoren entlang des kreisförmigen Umfangs auf, ohne dass es zu Variationen jeweiliger Signalamplituden in Abhängigkeit des Drehwinkels kommt.
Beim Aufbau einer Messanordnung kann beispielsweise auf einem Gehäuse eines integrierten Bausteins ein Referenzpunkt markiert sein, an dem optisch beziehungsweise mechanisch eine Ausrichtung der Rotationsachse der Magnetquelle erfolgen kann. Wenn jedoch die Anordnung im Inneren des Gehäuses, welche die Magnetfeldsensoren umfasst, mit vorgegebener Toleranz bezüglich ihrer Position im Gehäuse befestigt ist, kann es dennoch zu Abweichungen zwischen der Rotationsachse und dem Zentrum der Magnetfeldsensoren kommen, so dass eine Messgenauigkeit beeinträchtigt ist.
Alternativ kann auch ein Verlauf gemessener magnetischer Feldintensitäten über eine volle Drehung des Magneten mittels einer Linearitätsbetrachtung ausgewertet werden, um eine optimale Position für die Rotationsachse der Magnetquelle zu finden. Ein derartiges Verfahren ist jedoch mit einem erhöhten zeitlichen und produktionstechnischen Aufwand verbunden.
Das Dokument WO 2007/031167 A1 betrifft ein Kalibrierverfahren für einen Winkelsensor, bei dem die Summe von über den Kreisumfang verteilten Magnetsensoren abgegebenen Sensorsignalen ausgewertet wird. Bei nicht optimaler Ausrichtung von Magnetquelle und Sensorarray können Abweichungen von einer idealen totalen Auslöschung der Sensorsignale auftreten, welche wiederum zur Neuausrichtung der Magnetquelle verwendet werden.
Das Dokument DE 69816755 T2 beschreibt einen herkömmlichen Winkelsensor, bei dem der Einfluss von äußeren Magnetfeldern und von Empfindlichkeits- und Driftschwankungen der Magnetfeldsensoren auf die Genauigkeit der Bestimmung des Drehwinkels verringert ist.
Im Dokument DE 19852502 A1 wird eine Position eines magnetoresistiven Winkelsensors auf Basis von Spannungsabweichungen kalibriert, die vorzugsweise über eine Brückenschaltung detektiert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Messverfahren und eine Sensoranordnung anzugeben, mit denen eine Position einer Rotationsachse einer Magnetquelle genauer und mit geringerem Aufwand bestimmt werden kann. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Aufbau eines Messsystems aufzuzeigen, bei dem eine geringe Abweichung einer Rotationsachse einer Magnetquelle von einer vorgegebenen Position erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform eines Messverfahrens wird eine Vielzahl von Magnetfeldsensoren bereitgestellt, die entlang eines im Wesentlichen kreisförmigen Umfangs angeordnet sind und jeweils eingerichtet sind, ein Sensorsignal in Abhängigkeit einer magnetischen Feldintensität abzugeben. Ferner wird eine diametral magnetisierte Magnetquelle bereitgestellt, welche über den kreisförmigen Umfang drehbar um eine Rotationsachse gelagert ist. Von der Vielzahl von Magnetfeldsensoren wird ein erster Satz von Sensorsignalen empfangen, beispielsweise in Abhängigkeit der magnetischen Feldintensität, welche von der Magnetquelle bewirkt wird. Es erfolgt eine Bestimmung einer ersten Ausrichtung einer Achse, die durch einen Referenzwertübergang definiert ist, als Funktion des ersten Satzes von Sensorsignalen. Dabei ist die Ausrichtung mit Bezug auf die Vielzahl von Magnetfeldsensoren, beispielsweise deren vorgegebene Anordnung definiert. Die Magnetquelle wird nach dem Empfang des ersten Satzes von Sensorsignalen um die Rotationsachse gedreht, wobei ein Drehwinkel hierbei vorzugsweise ein beliebiger Drehwinkel unterschiedlich von einem ganzzahligen Vielfachen von 180° ist. Es wird ein zweiter Satz von Sensorsignalen von der Vielzahl von Magnetfeldsensoren empfangen und eine zweite Ausrichtung der durch den Referenzwertübergang definierten Achse als Funktion des zweiten Satzes von Sensorsignalen bestimmt, wiederum mit Bezug beispielsweise auf die Anordnung der Vielzahl von Magnetfeldsensoren. Eine Position der Rotationsachse mit Bezug auf die Vielzahl von Magnetfeldsensoren wird in Abhängigkeit der ersten und zweiten Ausrichtung bestimmt.
Eine diametral magnetisierte Magnetquelle weist üblicherweise eine diametrale Achse auf, auf deren einen Seite eine Magnetfeldintensität größer als ein bestimmter Referenzwert induziert wird, während auf der anderen Seite eine Magnetfeldintensität mit einem Wert kleiner als der Referenzwert bewirkt wird. Ein Übergang zwischen den durch die Achse getrennten Bereichen der Magnetfeldintensität über den Referenzwert stellt somit einen Referenzwertübergang dar. Durch Auswertung der von den Magnetfeldsensoren abgegebenen Sensorsignale kann jeweils eine Ausrichtung dieser Achse, die durch den Referenzwertübergang definiert ist, bestimmt werden. Der Referenzwertübergang beziehungsweise die Achse verlaufen demgemäß durch den Mittelpunkt beziehungsweise die Rotationsachse der Magnetquelle. Nach einer Drehung der Magnetquelle kann die zweite Ausrichtung aus einem weiteren Satz von Sensorsignalen bestimmt werden, wobei sich aus den so ermittelten Ausrichtungen, die beide durch die Position der Rotationsachse verlaufen, diese Position der Rotationsachse bestimmen lässt.
Durch die Auswertung der Ausrichtung der Magnetquelle anhand von durch die Position der Rotationsachse gehenden Achsen kann diese Position mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Da nur zwei Messungen für die Bestimmung der zwei Ausrichtungen notwendig sind, lässt sich das beschriebene Verfahren auch mit geringem Aufwand durchführen. Dies wird auch dadurch unterstützt, dass der Drehwinkel der Magnetquelle zwischen dem Erfassen des ersten und zweiten Satzes von Sensorsignalen nahezu beliebig gewählt werden kann und nicht vorbestimmt werden muss.
In verschiedenen Ausführungsformen des Messverfahrens wird die Position der Rotationsachse mit Bezug auf einen Mittelpunkt des kreisförmigen Umfangs bestimmt. Ferner kann jedem der Sensorsignale, die von der Vielzahl von Magnetfeldsensoren abgegeben werden, eine Position zugeordnet werden. Anders ausgedrückt, weisen die erfassten Sensorsignale einen genau definierten Ortsbezug auf, der durch die Position des entsprechenden Magnetfeldsensors, welcher das Sensorsignal abgibt, bestimmt ist.
In einer Ausführungsform des Messverfahrens wird beim Bestimmen der ersten und zweiten Ausrichtung der Achse jeweils eine erste interpolierte Position des Referenzwertübergangs in Abhängigkeit eines ersten und eines zweiten Sensorsignals aus dem jeweiligen Satz von Sensorsignalen ermittelt. In ähnlicher Weise wird eine zweite interpolierte Position des Referenzwertübergangs in Abhängigkeit eines dritten und eines vierten Sensorsignals aus dem jeweiligen Satz von Sensorsignalen ermittelt. Die jeweilige Ausrichtung der Achse kann demgemäß als Funktion einer jeweiligen geradlinigen Verbindung der ersten und zweiten interpolierten Position ermittelt werden.
Beispielsweise werden die erste und zweite interpolierte Position in Abhängigkeit jeweils benachbarter Sensorsignale ermittelt. So können beispielsweise zwei Sensorsignale aus dem jeweiligen Satz von Sensorsignalen gefunden werden, bei denen das eine Sensorsignal größer als der Referenzwert ist und das andere kleiner als der Referenzwert ist. Ein Referenzwertübergang kann somit zwischen den Positionen dieser gefundenen Sensorsignale angenommen werden, so dass bei einer diametral magnetisierten Magnetquelle infolgedessen zwei interpolierte Positionen gefunden werden können. Anhand der jeweiligen Werte dieser Sensorsignale und ihren Positionen lässt sich eine Position des Referenzwertübergangs interpolieren.
Eine geradlinige Verbindung dieser interpolierten Positionen kann demgemäß als Achse des Referenzwertübergangs betrachtet werden. Eine Ausrichtung beziehungsweise ein geometrischer Verlauf dieser Achse kann formelmäßig beziehungsweise analytisch in Abhängigkeit der interpolierten Positionen beschrieben werden.
Nach einer Drehung der Magnetquelle um die Rotationsachse kann in ähnlicher Weise eine zweite Ausrichtung der Achse ermittelt werden, beispielsweise wiederum formelmäßig beziehungsweise analytisch. Ein Schnittpunkt der durch die Achse beziehungsweise den Referenzwertübergang definierten ersten und zweiten Ausrichtungen kann wegen der Geometrie der diametral magnetisierten Magnetquelle als Position der Rotationsachse betrachtet werden. Anders ausgedrückt ist die Position der Rotationsachse durch einen Schnittpunkt der geradlinigen Verbindungen der interpolierten Positionen definiert.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann die Rotationsachse in Abhängigkeit der bestimmten Position verschoben werden. Beispielsweise werden die Rotationsachse beziehungsweise die Position der Rotationsachse entsprechend der ermittelten Position, welche einer Abweichung von einer idealen Position entspricht, verschoben. Nach dem Verschieben der Rotationsachse kann mit dem gleichen Verfahren wie oben beschrieben erneut die Position der Rotationsachse bestimmt werden, um festzustellen, ob diese neue Position beispielsweise im Rahmen einer vorgegebenen Toleranz liegt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel können auch Winkelpositionen der Magnetquelle in Abhängigkeit der erfassten Sensorsignale bestimmt werden. Dabei kann gleichzeitig, wie für die obigen Ausführungsbeispiele beschrieben, jeweils die Position der Rotationsachse bestimmt werden. Hierbei kann eine Benachrichtigung erfolgen, wenn die bestimmte Position der Rotationsachse eine Abweichung vom Mittelpunkt des kreisförmigen Umfangs erreicht, die größer oder kleiner als eine vorgegebene Abweichung ist. Beispielsweise kann bei einer zu großen Abweichung ein Alarmsignal abgegeben werden, welches zur Korrektur der Position der Rotationsachse auffordert.
Ein Verfahren gemäß einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele kann auch automatisiert durchgeführt werden, beispielsweise gesteuert durch eine zusätzliche Kalibrierungseinrichtung mit einem Mikrocontroller oder einer programmierbaren Schaltung. Insbesondere kann das Drehen der Magnetquelle automatisch beziehungsweise gesteuert erfolgen.
In einem Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung, die zur Verwendung mit einer diametral magnetisierten Magnetquelle vorgesehen ist, weist diese eine Vielzahl von Magnetfeldsensoren auf, die entlang eines kreisförmigen Umfangs angeordnet sind und jeweils eingerichtet sind, ein Sensorsignal in Abhängigkeit einer magnetischen Feldintensität abzugeben. Die Sensoranordnung umfasst ferner eine mit den Magnetfeldsensoren gekoppelte Auswerteeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen ersten und einen zweiten Satz von Sensorsignalen von der Vielzahl von Magnetfeldsensoren zu empfangen. Die Auswerteeinrichtung ist ferner dazu eingerichtet, eine erste Ausrichtung einer Achse, die durch einen Referenzwertübergang definiert ist, mit Bezug auf die Vielzahl von Magnetfeldsensoren als Funktion des ersten Satzes von Sensorsignalen zu bestimmen und eine zweite Ausrichtung der Achse als Funktion des zweiten Satzes von Sensorsignalen zu bestimmen. Weiterhin ist die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, eine Position einer Rotationsachse mit Bezug auf die Vielzahl von Magnetfeldsensoren in Abhängigkeit der ersten und zweiten Ausrichtung zu bestimmen.
Da bei eine derartigen Sensoranordnung lediglich zwei Sätze von Sensorsignalen benötigt werden, welche in der Auswerteeinrichtung ausgewertet werden, um eine Position einer Rotationsachse zu bestimmen, kann eine Abweichung einer Rotationsachse einer Magnetquelle mit geringem Aufwand bestimmt werden. Die Bestimmung der Position über eine erste und eine zweite Ausrichtung ermöglicht auch eine erhöhte Genauigkeit für die Positionsbestimmung.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, die Position der Rotationsachse mit Bezug auf einen Mittelpunkt des kreisförmigen Umfangs zu bestimmen. In einer weiteren Ausführungsform der Sensoranordnung ist die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, beim Bestimmen der ersten und zweiten Ausrichtung der Achse eine erste interpolierte Position des Referenzwertübergangs in Abhängigkeit eines ersten und eines zweiten Sensorsignals aus dem jeweiligen Satz von Sensorsignalen zu ermitteln und eine zweite interpolierte Position des Referenzwertübergangs in Abhängigkeit eines dritten und eines vierten Sensorsignals aus dem jeweiligen Satz von Sensorsignalen zu ermitteln. Die jeweilige Ausrichtung der Achse wird von der Auswerteeinrichtung als Funktion einer jeweiligen geradlinigen Verbindung der ersten und zweiten interpolierten Position ermittelt.
Des Weiteren kann die Position der Rotationsachse von der Auswerteeinrichtung durch Ermitteln eines Schnittpunkts zwischen den jeweiligen geradlinigen Verbindungen bestimmt werden, entsprechend den Ausführungsbeispielen des Messverfahrens. In einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung ist die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, eine Benachrichtigung abzugeben, wenn die bestimmte Position der Rotationsachse eine Abweichung vom Mittelpunkt des kreisförmigen Umfangs erreicht, die größer oder kleiner als eine vorgegebene Abweichung ist.
In weiteren Ausführungsbeispielen der Sensoranordnung kann die Auswerteeinrichtung ferner dazu eingerichtet sein, einen Drehwinkel in Abhängigkeit des ersten und/oder des zweiten Satzes von Sensorsignalen zu ermitteln.
In einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Aufbau eines Messsystems wird eine Sensoranordnung gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele bereitgestellt. Ferner wird eine diametral magnetisierte Magnetquelle bereitgestellt, welche über dem kreisförmigen Umfang der Sensoranordnung drehbar um eine Rotationsachse gelagert ist. Es wird eine Position der Rotationsachse mit Bezug auf einen Mittelpunkt des kreisförmigen Umfangs mit der Sensoranordnung bestimmt. Die Rotationsachse der Magnetquelle wird in Abhängigkeit der bestimmten Position verschoben.
Mit dem beschriebenen Verfahren kann ein Messsystem bereitgestellt werden, welches wegen der Korrektur der Position der Rotationsachse der Magnetquelle eine geringe Abweichung der Magnetquelle von einer vorgegebenen Position aufweist. Ein derart aufgebautes Messsystem kann somit eine hohe Genauigkeit beispielsweise bei der Bestimmung eines Rotationswinkels der Magnetquelle aufweisen.
Im Folgenden wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Elemente tragen dabei gleiche Bezugszeichen.
Es zeigen:
1A und 1B Ausführungsbeispiele mit Magnetfeldsensoren und einer Magnetquelle mit unterschiedlichen Drehwinkeln,
2 beispielhafte Signaldiagramme von Sensorsignalen,
3 eine beispielhafte geometrische Darstellung bestimmter Ausrichtungen,
4 ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung, und
5 ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung als integrierter Schaltkreis in einem Gehäuse.
Die 1A und 1B zeigen jeweils eine Vielzahl von Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15, die entlang eines kreisförmigen Umfangs CIR mit Mittelpunkt CT angeordnet sind. Die Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15 sind dabei gleichmäßig über den Kreisumfang verteilt, so dass ein Winkel zwischen benachbarten Magnetfeldsensoren jeweils gleich groß ist. Ferner ist jeweils eine diametral magnetisierte Magnetquelle MAG mit einem magnetischen Nordpol N und einem magnetischen Südpol S vorgesehen, die um eine Rotationsachse RA drehbar ist. Die Magnetquelle MAG weist eine Achse AX auf, die durch einen Referenzwertübergang RVT zwischen Magnetfeldintensitäten, die größer als ein Referenzwert sind, und solchen, die kleiner als der Referenzwert sind, definiert ist.
Die Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15 sind jeweils dazu eingerichtet, ein Sensorsignal H0 bis H15, welches aus Übersichtsgründen nicht dargestellt ist, in Abhängigkeit einer magnetischen Feldintensität abzugeben, welche im wesentlichen von der Magnetquelle MAG bewirkt wird.
Mit Verweis auf 1A verläuft die durch den Referenzwertübergang RVT definierte Achse AX durch die Position der Rotationsachse RA sowie zwischen den Magnetfeldsensoren MS2 und MS3 durch eine Position P1 und zwischen den Magnetfeldsensoren MS10 und MS11 durch eine Position P2. Durch Auswertung eines Satzes von Sensorsignalen H0 bis H15, welche von den Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15 abgegeben werden, kann eine Ausrichtung AL1 der Achse AX ermittelt werden. Da die Position der Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15 und der von ihnen abgegebenen Sensorsignale H0 bis H15 üblicherweise bekannt ist, kann auch die Ausrichtung AL1 der Achse AX mit Bezug auf die Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15 beziehungsweise den Mittelpunkt CT des kreisförmigem Umfangs CIR beschrieben werden.
Mit Verweis auf 1B ist in der dortigen Darstellung die Magnetquelle MAG gegenüber der Anordnung in 1A bezüglich der Rotationsachse RA gedreht. Das Drehen der Magnetquelle kann automatisch beziehungsweise gesteuert durch eine zusätzliche Kalibrierungseinrichtung, die aus Übersichtsgründen nicht dargestellt ist, mit einem Mikrocontroller oder einer programmierbaren Schaltung erfolgen. Eine derartige Kalibrierungseinrichtung kann hierbei auch von einer entsprechenden Auswerteeinrichtung umfasst sein.
Die Ausrichtung AL2 der Achse AX in dieser Darstellung verläuft wie bei der Darstellung in 1A durch die Position der Rotationsachse RA. Bezüglich der Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15 verläuft die Ausrichtung AL2 zwischen dem Magnetfeldsensoren MS13 und MS14 durch eine Position P3 und zwischen den Magnetfeldsensoren MS4 und MS5 durch eine Position P4. Wie zuvor für 1A erläutert, können aus einem weiteren Satz von Sensorsignalen, der von den Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15 abgegeben wird, Parameter zur Bestimmung der zweiten Ausrichtung AL2 ermittelt werden. In 1B ist zudem aus Übersichtsgründen die erste Ausrichtung AL1 eingezeichnet. Die Position der Rotationsachse RA liegt auf dem Schnittpunkt der zwei Ausrichtungen AL1, AL2 und kann in Abhängigkeit der bekannten Ausrichtungen AL1 und AL2 in einem beispielsweise durch die Vielzahl von Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15 aufgestellten Koordinatensystem über entsprechende Positionskoordinaten X0, Y0 dargestellt werden.
Die Information über die Position X0, Y0 der Rotationsachse RA kann beispielsweise dazu verwendet werden, um die Magnetquelle MAG beziehungsweise die Position der Rotationsachse RA der Magnetquelle MAG so zu verschieben, dass die Rotationsachse RA nach der Verschiebung durch den Mittelpunkt CT des kreisförmigen Umfangs CIR verläuft.
2 zeigt beispielhafte Signaldiagramme mit Sensorsignalen zur Bestimmung der interpolierten Positionen des Referenzwertübergangs. In dem oberen Diagramm sind, mit Verweis auf 1A, beispielhafte Sensorsignale H2, H3, H10, H11 von entsprechenden Magnetfeldsensoren MS2, MS3, MS10, MS11 dargestellt. Mit Bezug auf einen Referenzwert RV ist beispielsweise in diesem Diagramm der Wert des Sensorsignals H2 größer als der Referenzwert RV und der Wert des Sensorsignals H3 kleiner als der Referenzwert RV. Dementsprechend liegt die Position P1 des Referenzwertübergangs zwischen den Positionen der Sensorsignale H2, H3 beziehungsweise der Magnetfeldsensoren MS2, MS3. In Abhängigkeit der absoluten beziehungsweise relativen Abweichung der Sensorsignale H2, H3 vom Referenzwert RV kann diese Position interpoliert werden, um die interpolierte Position P1 des Referenzwertübergangs zu erhalten. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwar die Werte der Sensorsignale H2, H3 im Wesentlichen gleich groß dargestellt, so dass sich die interpolierte Position P1 demzufolge auf dem halben Weg zwischen den Magnetfeldsensoren MS2, MS3 befindet, jedoch kann sich die interpolierte Position P1 bei unterschiedlichen Größen der Sensorsignale H2, H3 im Diagramm entsprechend nach links oder nach rechts verschieben.
In ähnlicher Weise sind Sensorsignale H10, H11 um einen weiteren Referenzwertübergang herum dargestellt, über deren Werte sich eine zweite interpolierte Position P2 des Referenzwertübergangs ermitteln lässt.
Da die Positionen der einzelnen Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15 und damit der daraus resultierenden Sensorsignale H0 bis H15 vorab bekannt sind und mit entsprechenden Koordinaten in einem gewählten Koordinatensystem beschrieben werden können, lassen sich somit die interpolierten Positionen P1, P2 in Abhängigkeit der Sensorsignale ebenfalls als Koordinaten in diesem Koordinatensystem darstellen. Dabei können die interpolierte Positionen P1, P2 beispielsweise auf einer geradlinigen Verbindung zwischen den Magnetfeldsensoren MS2 und MS3 beziehungsweise zwischen MS10 und MS11 angenommen werden. Alternativ kann auch die Krümmung des kreisförmigen Umfangs CIR, auf dem die Magnetfeldsensoren angeordnet sind, berücksichtigt werden, so dass die interpolierten Positionen P1, P2 auf dem kreisförmigen Umfang CIR angenommen werden.
In ähnlicher Weise wie für das obere Diagramm beschrieben, sind im unteren Diagramm in 2 Sensorsignale H13, H14, H4, H5 dargestellt, die beispielsweise aus einer Messung bei einer Ausrichtung der Magnetquelle MAG gemäß 1B resultieren. Die interpolierte Position P3 ergibt sich somit aus den Positionen der Magnetfeldsensoren MS13, MS14 in Verbindung mit den von ihnen abgegebenen Sensorsignalen H13, H14. In gleicher Weise ergibt sich die vierte interpolierte Position P4 aus den Positionen der Magnetfeldsensoren MS4, MS5 in Verbindung mit den entsprechenden Sensorsignalen H4, H5.
Mit den bekannten Koordinaten der interpolierten Positionen P1 bis P4 können beispielsweise Geradengleichungen für die erste und zweite Ausrichtung AL1, AL2 ermittelt werden. Beispielhafte resultierende Geraden sind in 3 in einem x-y-Koordinatensystem dargestellt. In bekannter Weise lassen sich aus den Koordinaten der interpolierten Positionen P1, P2 eine Steigung m1 und ein konstanter Parameter b1 einer Geradengleichung für die erste Ausrichtung AL1 AL1: y = m1·x + b1 (1) bestimmen. Gleichermaßen ergibt sich aus den Koordinaten der dritten und vierten interpolierten Position P3, P4 eine Geradengleichung für die zweite Ausrichtung AL2 zu AL2: y = m2·x + b2, (2) wobei m2 die Steigung der Geraden und b2 einen konstanten Faktor der Geraden darstellen. Mit Verweis auf die Erläuterungen zu 1B lässt sich die Position X0, V0 der Rotationsachse aus einem Schnittpunkt der zwei Ausrichtungen AL1, AL2 ermitteln. Dazu kann beispielsweise mit den Gleichungen (1) und (2) ein lineares Gleichungssystem aufgestellt werden, dessen Lösung die Koordinaten X0, Y0 liefert. Beispielsweise kann durch Gleichsetzen der Gleichungen (1) und (2) mit nachfolgendem Auflösen nach dem Parameter x die Koordinate X0 bestimmt werden, so dass sich ergibt: X0 = b2 – b1 / m1 – m2 (3)
Durch Einsetzen von Gleichung (3) beispielsweise in Gleichung (1) mit X0 als x resultiert die Koordinate Y0 zu Y0 = m1·b2 – m2·b1 / m1 – m2. (4)
Die so ermittelte Position X0, Y0 kann beispielsweise ausgegeben werden und zur Korrektur der Position der Rotationsachse verwendet werden. Alternativ kann die Position X0, Y0 auch dahingehend überprüft werden, ob sie innerhalb eines gewissen Toleranzbereiches einer Abweichung zum Mittelpunkt CT des kreisförmigen Umfangs CIR liegt.
Neben der Funktion zur Bestimmung der Position X0, Y0 der Rotationsachse RA der Magnetquelle MAG werden die Sensorsignale üblicherweise zur Bestimmung eines Drehwinkels Φ der Magnetquelle verwendet. Für diesen Fall kann die Information über die Steigung M1, M2 der ersten und zweiten Ausrichtung AL1, AL2 zumindest doppelt genutzt werden. Wenn beispielsweise als Bezugsachse für einen Drehwinkel Φ die x-Achse des Koordinatensystems beziehungsweise eine zur x-Achse parallel liegende Achse verwendet wird, kann ein Drehwinkel Φ der Magnetquelle MAG in einfacher Weise aus den Steigungen M1, M2 abgeleitet werden, beispielsweise über eine auf einer Tangensfunktion basierenden Funktion. Ein Rechenaufwand zur Ermittlung der Position X0, Y0 beziehungsweise eines Rotationswinkels Φ der Magnetquelle MAG ist somit reduziert. Ein Verfahren und eine Anordnung zum Bestimmen eines Rotationswinkels Φ aus interpolierten Positionen können beispielsweise der EP 07004585.1 entnommen werden, deren Offenbarung oben per Bezug aufgenommen ist.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung mit einer Vielzahl von Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15, die eingerichtet sind, entsprechende Sensorsignale H0 bis H15 an eine Auswerteeinrichtung EV abzugeben. Ferner ist die Magnetquelle MAG dargestellt, die mit der Sensoranordnung verwendet werden kann. Die Auswerteeinrichtung EV weist beispielsweise einen Analog-Digital-Wandler ADC auf, dem die Sensorsignale H0 bis H15 in analoger Form zuführbar sind. Digital gewandelte Sensorsignale werden von dem Analog-Digital-Wandler ADC ausgangsseitig an eine arithmetisch logische Einheit ALU abgegeben. Die Recheneinheit ALU weist beispielsweise Ausgänge zur Abgabe eines Drehwinkels Φ und einer Position X0, Y0 der Rotationsachse RA auf.
Die Auswerteeinrichtung EV ist beispielsweise dazu eingerichtet, mit einem Verfahren gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele die Position X0, Y0 und einen Drehwinkel φ zwischen der durch den Referenzwertübergang RVT definierten Achse AX und einer vorgegebenen Bezugsachse ZA zu bestimmen. Die Bezugsachse ZA ist in diesem Ausführungsbeispiel durch eine geradlinige Verbindung der Magnetfeldsensoren MS0 und MS8 beziehungsweise einer Parallelen dazu definiert. Die Bezugsachse ZA kann jedoch auch beliebig anders definiert werden. Die Auswerteeinrichtung EV ist insbesondere dazu vorgesehen, eine erste und eine zweite Ausrichtung AL1, AL2 für verschiedene Drehwinkel der Magnetquelle MAG zu bestimmen und die Position X0, Y0 aus den bestimmten Ausrichtungen zu ermitteln. Die dazu notwendigen Berechnungen können beispielsweise in der Recheneinheit ALU durchgeführt werden.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer auf einem Halbleiterchip implementierten Sensoranordnung gemäß einem der obigen Ausführungsbeispiele, welches in einem Chipgehäuse IC angeordnet ist. Aus Übersichtsgründen sind nur der Halbleiterkern ED der Sensoranordnung mit den entlang eines kreisförmigen Umfangs CIR um einen Mittelpunkt CT angeordneten Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15 dargestellt. Der Punkt PCT kennzeichnet beispielsweise einen Mittelpunkt des Gehäuses IC, der als Anhaltspunkt für eine Anordnung einer drehbar gelagerten Magnetquelle verwendet werden kann. Vorzugsweise ist der Halbleiterkern ED im Chipgehäuse IC so befestigt, dass die Positionen des Gehäusemittelpunkts PCT und des Mittelpunkts CT der Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15 übereinstimmen. Dies ist jedoch aus fertigungstechnischen Gründen oftmals nur mit einer gewissen Toleranz erreichbar.
Beim Aufbau eines Messsystems wird beispielsweise demnach eine Magnetquelle zunächst so angeordnet, dass ihre Rotationsachse RA durch den Chipmittelpunkt PCT verläuft. Durch Aufnahme von Sensorsignalen an zwei verschiedenen Drehpositionen der Magnetquelle können mit der Sensoranordnung die zwei Ausrichtungen der Magnetquelle und daraus die Position X0, Y0 beziehungsweise der Versatz der Rotationsachse vom Mittelpunkt CT der Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15 bestimmt werden und über eine Schnittstelle der Sensoranordnung abgegeben werden. Diese Information kann daraufhin dazu verwendet werden, um die Position der Rotationsachse zu verändern beziehungsweise zu korrigieren, so dass vorzugsweise die Rotationsachse durch den Mittelpunkt CT verläuft. In weiteren Messungen kann bei Bedarf überprüft werden, ob die korrigierte Position innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt.
Neben Winkelmessungen, die mit der Sensoranordnung erfolgen können, kann dauerhaft oder zu festgelegten Zeitpunkten eine Überprüfung der Position der Rotationsachse erfolgen. Wenn beispielsweise während des Betriebs des Messsystems eine Abweichung der Position über einen Toleranzbereich hinaus festgestellt wird, kann ein Warn- oder Alarmsignal abgegeben werden, z. B. wiederum über eine Schnittstelle der Sensoranordnung beziehungsweise des Messsystems.
Auch wenn in den vorliegenden Ausführungsbeispielen jeweils eine Anzahl von sechzehn Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15 dargestellt ist, können in anderen Ausführungsformen des Messverfahrens beziehungsweise der Sensoranordnung auch eine beliebige andere Anzahl von Magnetfeldsensoren, die größer oder kleiner als sechzehn ist, verwendet werden. Ebenso ist es in verschiedenen Ausführungsformen möglich, anstelle von benachbarten Sensorsignalen solche Sensorsignale zu verwenden beziehungsweise auszuwerten, die nicht direkt nebeneinander positioniert sind, sondern beispielsweise aus zwei Sensorsignalen, die von Magnetfeldsensoren, zwischen denen ein weiterer Magnetfeldsensor angeordnet ist, erzeugt werden.
Bezugszeichenliste

MAG

Magnetquelle

CIR

kreisförmiger Umfang

MS0–MS15

Magnetfeldsensoren

H0–H15

Sensorsignale

CT

Kreismittelpunkt

RA

Rotationsachse

RVT

Referenzwertübergang

RV

Referenzwert

AX

Achse

ZA

Bezugsachse

AL1, AL2

Ausrichtung

P1–P4

interpolierte Position

X0, Y0

Position

m1, m2

Steigung

b1, b2

Konstante

φ, Φ

Winkel

EV

Auswerteeinrichtung

ADC

Analog-Digital-Wandler

ALU

Recheneinheit

IC

Gehäuse

ED

Halbleiterkern

PCT

Gehäusemittelpunkt

Claims

Messverfahren, umfassend – Bereitstellen einer Vielzahl von Magnetfeldsensoren (MS0–MS15), die entlang eines kreisförmigen Umfangs (CIR) angeordnet sind und jeweils eingerichtet sind, ein Sensorsignal (H0–H15) in Abhängigkeit einer magnetischen Feldintensität abzugeben; – Bereitstellen einer diametral magnetisierten Magnetquelle (MAG), welche über dem kreisförmigen Umfang (CIR) drehbar um eine Rotationsachse (RA) gelagert ist und eine durch die Rotationsachse (RA) verlaufende diametrale Achse (AX) aufweist, die durch einen Referenzwertübergang (RVT) definiert ist; – Empfangen eines ersten Satzes von Sensorsignalen von der Vielzahl von Magnetfeldsensoren (MS0–MS15); – Bestimmen einer ersten Ausrichtung (AL1) der Achse (AX) mit Bezug auf die Vielzahl von Magnetfeldsensoren (MS0–MS15) als Funktion des ersten Satzes von Sensorsignalen; – Drehen der Magnetquelle (MAG) um die Rotationsachse (RA); – Empfangen eines zweiten Satzes von Sensorsignalen von der Vielzahl von Magnetfeldsensoren (MS0–MS15); – Bestimmen einer zweiten Ausrichtung (AL2) der Achse (AX) als Funktion des zweiten Satzes von Sensorsignalen; und – Bestimmen einer Position (X0, Y0) der Rotationsachse (RA) mit Bezug auf die Vielzahl von Magnetfeldsensoren (MS0–MS15) in Abhängigkeit der ersten und der zweiten Ausrichtung (AL1, AL2).
Messverfahren nach Anspruch 1, bei dem jedes der Sensorsignale (H0–H15), die von der Vielzahl von Magnetfeldsensoren (MS0–MS15) abgegeben werden, einer Position zuordenbar ist.
Messverfahren nach Anspruch 2, bei dem das Bestimmen der ersten und zweiten Ausrichtung (AL1, AL2) der Achse (AX) jeweils umfasst: – Ermitteln einer ersten interpolierten Position (P1, P3) des Referenzwertübergangs (RVT) in Abhängigkeit eines ersten und eines zweiten Sensorsignals aus dem jeweiligen Satz von Sensorsignalen; – Ermitteln einer zweiten interpolierten Position (P2, P4) des Referenzwertübergangs (RVT) in Abhängigkeit eines dritten und eines vierten Sensorsignals aus dem jeweiligen Satz von Sensorsignalen; und – Ermitteln der jeweiligen Ausrichtung (AL1, AL2) der Achse (AX) als Funktion einer jeweiligen geradlinigen Verbindung der ersten und zweiten interpolierten Position (P1–P4).
Messverfahren nach Anspruch 3, bei dem die erste und zweite interpolierte Position (P1–P4) in Abhängigkeit jeweils benachbarter Sensorsignale ermittelt werden.
Messverfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die Position (X0, Y0) der Rotationsachse (RA) durch Ermitteln eines Schnittpunkts zwischen den jeweiligen geradlinigen Verbindungen bestimmt wird.
Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Rotationsachse (RA) in Abhängigkeit der bestimmten Position (X0, Y0) verschoben wird.
Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Position (X0, Y0) der Rotationsachse (RA) mit Bezug auf einen Mittelpunkt (CT) des kreisförmigen Umfangs (CIR) bestimmt wird.
Messverfahren nach Anspruch 7, bei dem eine Benachrichtigung erfolgt, wenn die bestimmte Position (X0, Y0) der Rotationsachse (RA) eine Abweichung vom Mittelpunkt (CT) des kreisförmigen Umfangs (CIR) erreicht, die größer oder kleiner als eine vorgegebene Abweichung ist.
Sensoranordnung zur Verwendung mit einer diametral magnetisierten Magnetquelle (MAG), welche drehbar um eine Rotationsachse (RA) gelagert ist und eine durch die Rotationsachse (RA) verlaufende diametrale Achse (AX) aufweist, die durch einen Referenzwertübergang (RVT) definiert ist, die Sensoranordnung aufweisend eine Vielzahl von Magnetfeldsensoren (MS0–MS15), die entlang eines kreisförmigen Umfangs (CIR) angeordnet sind und jeweils eingerichtet sind, ein Sensorsignal (H0–H15) in Abhängigkeit einer magnetischen Feldintensität abzugeben, und eine mit den Magnetfeldsensoren (MS0–MS15) gekoppelte Auswerteeinrichtung (EV), die dazu eingerichtet ist, – einen ersten und einen zweiten Satz von Sensorsignalen von der Vielzahl von Magnetfeldsensoren (MS0–MS15) zu empfangen; – eine erste Ausrichtung (AL1) der Achse (AX) mit Bezug auf die Vielzahl von Magnetfeldsensoren (MS0–MS15) als Funktion des ersten Satzes von Sensorsignalen zu bestimmen; – eine zweite Ausrichtung (AL2) der Achse (AX) als Funktion des zweiten Satzes von Sensorsignalen zu bestimmen; und – eine Position (X0, Y0) der Rotationsachse (RA) mit Bezug auf die Vielzahl von Magnetfeldsensoren (MS0–MS15) in Abhängigkeit der ersten und der zweiten Ausrichtung (AL1, AL2) zu bestimmen.
Sensoranordnung nach Anspruch 9, bei der die Auswerteeinrichtung (EV) dazu eingerichtet ist, beim Bestimmen der ersten und zweiten Ausrichtung (AL1, AL2) der Achse (AX) – eine erste interpolierten Position (P1, P3) des Referenzwertübergangs (RVT) in Abhängigkeit eines ersten und eines zweiten Sensorsignals aus dem jeweiligen Satz von Sensorsignalen zu ermitteln; – eine zweite interpolierte Position (P2, P4) des Referenzwertübergangs (RVT) in Abhängigkeit eines dritten und eines vierten Sensorsignals aus dem jeweiligen Satz von Sensorsignalen zu ermitteln; und – die jeweilige Ausrichtung (AL1, AL2) der Achse (AX) als Funktion einer jeweiligen geradlinigen Verbindung der ersten und zweiten interpolierten Position (P1–P4) zu ermitteln.
Sensoranordnung nach Anspruch 10, bei der die Auswerteeinrichtung (EV) dazu eingerichtet ist, die Position (X0, Y0) der Rotationsachse (RA) durch Ermitteln eines Schnittpunkts zwischen den jeweiligen geradlinigen Verbindungen zu bestimmen.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der die Auswerteeinrichtung (EV) dazu eingerichtet ist, die Position (X0, Y0) der Rotationsachse (RA) mit Bezug auf einen Mittelpunkt (CT) des kreisförmigen Umfangs (CIR) zu bestimmen.
Sensoranordnung nach Anspruch 12, bei der die Auswerteeinrichtung (EV) dazu eingerichtet ist, eine Benachrichtigung abzugeben, wenn die bestimmte Position (X0, Y0) der Rotationsachse (RA) eine Abweichung vom Mittelpunkt (CT) des kreisförmigen Umfangs (CIR) erreicht, die größer oder kleiner als eine vorgegebene Abweichung ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei der die Auswerteeinrichtung (EV) ferner dazu eingerichtet ist, einen Drehwinkel (Φ) in Abhängigkeit des ersten und/oder des zweiten Satzes von Sensorsignalen zu ermitteln.
Verfahren zum Aufbau eines Messsystems, umfassend – Bereitstellen einer Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 14; – Bereitstellen einer diametral magnetisierten Magnetquelle (MAG), welche über dem kreisförmigen Umfang (CIR) der Sensoranordnung drehbar um eine Rotationsachse (RA) gelagert ist; – Bestimmen, mit der Sensoranordnung, einer Position (X0, Y0) der Rotationsachse (RA) mit Bezug auf einen Mittelpunkt (CT) des kreisförmigen Umfangs (CIR); und – Verschieben der Rotationsachse (RA) der Magnetquelle (MAG) in Abhängigkeit der bestimmten Position (X0, Y0).