DE102016212829A1

DE102016212829A1 - Winkelabtastung in einer ausseraxialen konfiguration

Info

Publication number: DE102016212829A1
Application number: DE102016212829.9A
Authority: DE
Inventors: Llorec Vallmajo I Ribas
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-08-12
Filing date: 2016-07-13
Publication date: 2017-02-16
Also published as: US20190145796A1; US10168184B2; CN106443521B; CN106443521A; US10732009B2; US20170045377A1

Abstract

Ein System kann einen Magneten enthalten, der an einem drehbaren Objekt befestigt ist. Das drehbare Objekt kann positioniert sein, um sich konzentrisch um eine Achse zu drehen. Das System kann außerdem einen magnetischen Winkelsensor enthalten, der konfiguriert ist, einen Drehwinkel des drehbaren Objekts basierend auf einem sich drehenden Magnetfeld zu bestimmen, das durch den Magneten erzeugt und durch den magnetischen Winkelsensor abgetastet wird. Das sich drehende Magnetfeld kann eine Radialkomponente und eine Tangentialkomponente aufweisen und der magnetische Winkelsensor kann an einer Sensorposition, die einen von null verschiedenen radialen Abstand von der Achse aufweist, positioniert sein. An der Sensorposition kann eine Amplitude der Radialkomponente im Wesentlichen einer Amplitude der Tangentialkomponente entsprechen oder können die Radialkomponente und die Tangentialkomponente eine im Wesentlichen gleiche Größe des Gradienten aufweisen.

Description

HINTERGRUND
Es kann ein magnetischer Winkelsensor verwendet werden, um eine Orientierung eines durch einen Magneten erzeugten Magnetfelds (z. B. zwischen null Grad und dreihundertsechzig Grad) zu bestimmen. Der magnetische Winkelsensor kann die Riesenmagnetowiderstandstechnik (GMR-Technik, GMR = giant magnetoresistance), die Technik des anisotropen Magnetowiderstands (AMR-Technik, AMR = anisotropic magnetoresistance), die Tunnelmagnetowiderstandstechnik (TMR-Technik, TMR = tunnel magnetoresistance) oder dergleichen verwenden.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einigen möglichen Implementierungen kann ein System einen Magneten, der an einem drehbaren Objekt befestigt ist, wobei das drehbare Objekt positioniert sein kann, um sich konzentrisch um eine Achse zu drehen; und einen magnetischen Winkelsensor, der konfiguriert ist, einen Drehwinkel des drehbaren Objekts basierend auf einem sich drehenden Magnetfeld, das durch den Magneten erzeugt wird und durch den magnetischen Winkelsensor abgetastet wird, enthalten, wobei das sich drehende Magnetfeld eine Radialkomponente und eine Tangentialkomponente aufweisen kann, wobei der magnetische Winkelsensor an einer Sensorposition positioniert sein kann, die einen von null verschiedenen radialen Abstand von der Achse aufweist, und wobei an der Sensorposition eine Amplitude der Radialkomponente im Wesentlichen einer Amplitude der Tangentialkomponente entsprechen kann oder an der Sensorposition die Radialkomponente und die Tangentialkomponente eine im Wesentlichen gleiche Größe des Gradienten aufweisen können.
Gemäß einigen möglichen Implementierungen kann ein magnetischer Winkelsensor eine oder mehrere Sensorkomponenten enthalten, die konfiguriert sind: basierend auf einem von einem Magneten erzeugten sich drehenden Magnetfeld einen Drehwinkel des Magneten während einer im Wesentlichen konzentrischen Drehung des Magneten mit einem drehbaren Objekt zu bestimmen, wobei das drehbare Objekt positioniert sein kann, um sich im Wesentlichen konzentrisch um eine Achse zu drehen, wobei das sich drehende Magnetfeld eine Radialkomponente und eine Tangentialkomponente aufweisen kann und wobei der magnetische Winkelsensor an einer Sensorposition positioniert sein kann, die einen von null verschiedenen radialen Abstand von der Achse aufweist, wobei an der Sensorposition eine Amplitude der Radialkomponente im Wesentlichen einer Amplitude der Tangentialkomponente entsprechen kann.
Gemäß einigen möglichen Implementierungen kann ein magnetischer Winkelsensor eine oder mehrere Sensorkomponenten enthalten, die konfiguriert sind: basierend auf einem durch einen Magneten erzeugten sich drehenden Magnetfeld einen Drehwinkel des Magneten während einer im Wesentlichen konzentrischen Drehung des mit einem drehbaren Objekt verbundenen Magneten zu bestimmen, wobei das drehbare Objekt positioniert sein kann, um sich im Wesentlichen konzentrisch um eine Achse zu drehen, wobei das sich drehende Magnetfeld eine Radialkomponente und eine Tangentialkomponente aufweisen kann und wobei der magnetische Winkelsensor an einer Sensorposition positioniert sein kann, die einen von null verschiedenen Abstand von der Achse aufweist, wobei die Radialkomponente und die Tangentialkomponente eine im Wesentlichen gleiche Größe des Gradienten an der Sensorposition aufweisen können.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine graphische Darstellung eines Überblicks einer hier beschriebenen beispielhaften Implementierung;
2A und 2B sind graphische Darstellungen einer beispielhaften Umgebung, in der die hier beschriebenen Vorrichtungen implementiert sein können;
3 ist eine graphische Darstellung beispielhafter Komponenten eines Winkelsensors, der in der beispielhaften Umgebung nach den 2A und 2B enthalten ist;
4A und 4B enthalten graphische Darstellungen, die Beispiele zeigen, wie das Anordnen eines Winkelsensors in einer außeraxialen Position bezüglich eines Magneten, der ein Magnetfeld erzeugt, Nichtlinearitäten in das Magnetfeld einführen kann, das durch den Winkelsensor erfahren wird;
5A–5D sind graphische Darstellungen einer beispielhaften Implementierung bezüglich des außeraxialen Positionierens eines Winkelsensors, wie hier beschrieben ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende ausführliche Beschreibung beispielhafter Implementierungen bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen. Die gleichen Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen können die gleichen oder ähnliche Elemente identifizieren.
Ein Winkelsensor kann konfiguriert sein, eine oder mehrere Komponenten eines sich drehenden Magnetfelds abzutasten. Das sich drehende Magnetfeld kann durch einen Magneten erzeugt werden, der sich um eine Achse (z. B. eine Achse, die durch einen Mittelpunkt eines drehbaren Objekts hindurchgeht) dreht. Der Magnet kann sich zweckmäßig konzentrisch mit dem drehbaren Objekt drehen. Es wird für den Rest dieser Offenbarung angenommen, dass der Magnet der Drehbewegung des drehbaren Objekts folgt (d. h., dass sich der Magnet in Übereinstimmung mit dem drehbaren Objekt um die Achse dreht). Dies kann durch das Bereitstellen einer Verbindung (z. B. einer mechanischen Verbindung) zwischen dem Magneten und dem drehbaren Objekt erreicht werden. Basierend auf dem sich drehenden Magnetfeld und genauer auf der einen oder den mehreren Komponenten des sich drehenden Magnetfelds kann ein Drehwinkel des drehbaren Objekts bestimmt werden (z. B. bezüglich eines Bezugswinkels). Unter der Annahme von keinem Schlupf zwischen dem Magneten und dem drehbaren Objekt entspricht der Winkel des Magneten dem Drehwinkel des drehbaren Objekts.
Der Winkelsensor kann konfiguriert sein, eine Radialkomponente des Magnetfelds (z. B. eine Komponente des Magnetfelds in einer Richtung, die einem Radius des Magneten entspricht) und eine Tangentialkomponente des Magnetfelds (z. B. eine Komponente des Magnetfelds in einer Richtung, die einer Tangente des Magneten entspricht und im Wesentlichen orthogonal zu der Radialkomponente des Magnetfelds ist) abzutasten. Hier kann der Winkelsensor den Drehwinkel des Magneten und folglich des drehbaren Objekts basierend auf der Radialkomponente des sich drehenden Magnetfelds und der Tangentialkomponente des sich drehenden Magnetfelds bestimmen.
In einigen Fällen kann der Winkelsensor entlang der Drehachse des Magneten und des drehbaren Objekts positioniert sein (was hier als ”auf der Achse” bezeichnet wird). Mit anderen Worten, der Winkelsensor kann an einer Position auf der Drehachse in einem axialen Abstand vom Mittelpunkt des Magneten angeordnet sein. Für den Rest dieser Offenbarung wird angenommen, dass sich die Drehachse über die Länge des drehbaren Objekts hinaus erstreckt. Deshalb wird eine Sensorposition entlang einer Ausdehnung der Drehachse über die tatsächliche Länge hinaus außerdem als eine Position ”auf der Achse” bezeichnet.
Wenn der Winkelsensor an einer Position auf der Achse angeordnet ist, kann er imstande sein, den Drehwinkel des Magneten genau zu bestimmen, und/oder kann er gegen eine oder mehrere Positionierungstoleranzen, wie z. B. eine Zusammenbautoleranz, eine dynamische Änderung der Positionierung (z. B. aufgrund einer Schwingung) oder dergleichen, robust sein.
In einigen Szenarios kann es jedoch nicht möglich sein, den Winkelsensor an einer Position auf der Achse anzuordnen (z. B. aufgrund von Abstandseinschränkungen, aufgrund der Bewegung des drehbaren Objekts in einer weiteren Richtung bezüglich des Winkelsensors, wie z. B. einer vertikalen Richtung, einer horizontalen Richtung usw.). Deshalb kann in einem derartigen Fall der Winkelsensor an einer Position in einem radialen Abstand von der Drehachse angeordnet sein (was hier als ”außeraxial” bezeichnet wird). Ein Durchschnittsfachmann erkennt, dass der radiale Abstand typischerweise größer als der Radius des drehbaren Objekts ist. Eine derartige außeraxiale Positionierung des Winkelsensors kann Nichtlinearitäten in das Magnetfeld einführen, wenn es durch den Winkelsensor abgetastet wird, was eine Eichung am Ende der Fertigungsstraße (EOL-Eichung, EOL = end of line) des Winkelsensors erfordern kann und/oder die Robustheit des Winkelsensors gegen statische Positionierungstoleranzen, dynamische Positionierungstoleranzen oder dergleichen verringern kann, so dass die Möglichkeit eines Winkelfehlers bei einer Bestimmung des Drehwinkels (z. B. im Vergleich zu der Anordnung des Winkelsensors an einer Position auf der Achse) vergrößert sein kann.
Die hier beschriebenen Implementierungen können sich auf das Anordnen eines Winkelsensors an einer ersten außeraxialen Position bezüglich eines Magneten beziehen, so dass eine Amplitude einer Radialkomponente eines durch den Magneten erzeugten sich drehenden Magnetfelds im Wesentlichen einer Amplitude einer Tangentialkomponente des sich drehenden Magnetfelds entspricht. In einigen Implementierungen kann das Anordnen des Sensors an der ersten außeraxialen Position eine Notwendigkeit für die EOL-Eichung des Winkelsensors eliminieren.
Die hier beschriebenen Implementierungen können sich ferner auf das Anordnen des Winkelsensors an einer zweiten außeraxialen Position beziehen, so dass eine Größe des Gradienten der Radialkomponente des sich drehenden Magnetfelds im Wesentlichen die gleiche wie eine Größe des Gradienten der Tangentialkomponente des sich drehenden Magnetfelds ist. In einigen Implementierungen kann das Anordnen des Winkelsensors an der zweiten außeraxialen Position die Robustheit des Winkelsensors gegen eine statische Positionierungstoleranz, eine dynamische Positionierungstoleranz oder dergleichen vergrößern.
1 ist eine graphische Darstellung eines Überblicks einer hier beschriebenen beispielhaften Implementierung 100. Für den Zweck der beispielhaften Implementierung 100 wird angenommen, dass ein Magnet mit einem drehbaren Objekt (das in 1 in einer Querschnittsansicht gezeigt ist) verbunden ist und dass sich das drehbare Objekt konzentrisch um eine Achse im Mittelpunkt des drehbaren Objekts dreht. Der Magnet ist typischerweise fest an dem drehbaren Objekt angebracht, um der Drehbewegung des drehbaren Objekts zu folgen. Das heißt, dass die Drehung des Magneten die Drehbewegung des drehbaren Objekts um die Achse repräsentiert oder der Drehbewegung des drehbaren Objekts um die Achse entspricht. Während der Magnet als kreisförmig oder ringförmig dargestellt ist, kann der Magnet insbesondere in einigen Implementierungen eine andere Form aufweisen, einschließlich elliptisch, aber außerdem keine Rotationssymmetrie aufweisen. Aufgrund der Drehung des drehbaren Magneten um die Achse erzeugt der Magnet ein sich drehendes Magnetfeld, da der Magnet mehr als einen Nordpol (N) und einen Südpol (S) umfasst, die sich bezüglich einer gegebenen Position eines Winkelsensors (z. B. an einer Position auf der Achse oder einer außeraxialen Position) bewegen. Ferner wird angenommen, dass ein Winkelsensor eine Radialkomponente und eine Tangentialkomponente des Magnetfelds abtasten kann, um einen Drehwinkel des Magneten bezüglich einer Bezugsrichtung und folglich den Drehwinkel des drehbaren Objekts zu bestimmen. Schließlich wird angenommen, dass der Winkelsensor nicht an einer Position auf der Achse (z. B. aufgrund einer Abstandseinschränkung, aufgrund einer Bewegung des Magneten in einer Richtung usw.) angeordnet sein kann.
Wie im linken Abschnitt der 1 gezeigt ist, kann der Winkelsensor an einer ersten Position (z. B. der Position 1) angeordnet sein, die sich in einem ersten radialen Abstand (z. B. dem Abstand 1) von der Achse befindet, um die sich das drehbare Objekt und der Magnet drehen. Wie im rechten Abschnitt der 1 angegeben ist, kann das Anordnen des Winkelsensors in dem ersten radialen Abstand von der Drehachse verursachen, dass eine Amplitude der Radialkomponente des Magnetfelds im Wesentlichen einer Amplitude einer Tangentialkomponente des Magnetfelds entspricht (d. h., etwa gleich einer Amplitude einer Tangentialkomponente des Magnetfelds ist). Wie weiter angegeben ist, kann das Anordnen des Winkelsensors in dem ersten radialen Abstand von der Drehachse die Notwendigkeit für eine EOL-Eichung des Winkelsensors eliminieren.
Wie ferner im linken Abschnitt der 1 gezeigt ist, kann der Winkelsensor alternativ an einer zweiten Position (z. B. der Position 2) angeordnet sein, die sich in einem zweiten radialen Abstand (z. B. dem Abstand 2) von der Drehachse des Magneten befindet. Wie ferner im rechten Abschnitt der 1 angegeben ist, kann das Anordnen des Winkelsensors in dem zweiten radialen Abstand von der Drehachse verursachen, dass eine Größe des Gradienten der Radialkomponente des Magnetfelds im Wesentlichen die gleiche wie eine Größe des Gradienten der Tangentialkomponente des Magnetfelds ist (d. h., etwa gleich einer Größe des Gradienten der Tangentialkomponente des Magnetfelds ist). Wie angegeben ist, kann das Anordnen des Winkelsensors in dem zweiten radialen Abstand die Robustheit des Winkelsensors gegen eine oder mehrere Positionierungstoleranzen, die dem Winkelsensor zugeordnet sind, vergrößern, wie z. B. eine statische Positionierungstoleranz (z. B. eine Zusammenbautoleranz), eine dynamische Toleranz oder dergleichen.
In dieser Weise kann der Winkelsensor an einem außeraxialen Ort angeordnet sein, so dass der Betrieb des Winkelsensors verbessert werden kann (z. B. keine EOL-Eichung erfordert, gegen eine oder mehrere Positionierungstoleranzen robust ist usw.).
Die 2A und 2B sind graphische Darstellungen beispielhafter Umgebungen 200, in denen die hier beschriebenen Vorrichtungen implementiert sein können. Wie in 2A gezeigt ist, kann eine Umgebung 200 ein drehbares Objekt 205, einen Magneten 210, einen Winkelsensor 220 und einen Controller 230 enthalten.
Das drehbare Objekt 205 kann ein Objekt enthalten, das positioniert ist, um sich konzentrisch um eine Achse 215 zu drehen. Das drehbare Objekt 205 kann z. B. eine drehbare Komponente einer Brennkraftmaschine, wie z. B. eine Kurbelwelle, eine Nockenwelle oder dergleichen, enthalten. In einigen Implementierungen kann das drehbare Objekt 205 (z. B. mechanisch) mit dem Magneten 210 verbunden sein, so dass ein Drehwinkel des Magneten 210 einem Drehwinkel des drehbaren Objekts 205 entspricht.
Der Magnet 210 kann einen oder mehrere Magneten enthalten, die positioniert sind, um sich mit dem drehbaren Objekt 205 um die Achse 215 zu drehen. In der in 2A gezeigten beispielhaften Umgebung 200 umfasst der Magnet 210 eine erste Hälfte, die einen Nordpol (N) bildet, und eine zweite Hälfte, die einen Südpol (S) bildet, so dass der Magnet 210 ein Polpaar umfasst. Ein Durchschnittsfachmann erkennt, dass der Magnet 210 ohne Einschränkung in einer weiteren Implementierung mehr als ein Polpaar umfassen kann. In einigen Implementierungen kann der Magnet 210 einen Ringmagneten enthalten, der konzentrisch um die Achse 215 positioniert ist, die durch den Mittelpunkt des drehbaren Objekts 205 und des Magneten 210 hindurchgeht, wie in der Querschnittsansicht nach 2A gezeigt ist. Während der Magnet 210 in 2A als kreisförmig gezeigt ist, kann der Magnet 210 in einem Fall, in dem ein Winkel zwischen einer Ringebene und der Achse 215 von einer im Wesentlichen senkrechten Beziehung abweicht, eine elliptische Form aufweisen. Die Ringebene ist eine Ebene, die symmetrisch durch den Magneten 210 schneidet und den Mittelpunkt des Magneten enthält. In den meisten praktischen Fällen kann die Ringebene im Wesentlichen zur Achse 215 senkrecht sein. Als ein weiteres Beispiel kann der Magnet 210 einen Scheibenmagneten enthalten, der positioniert ist, um sich mit dem drehbaren Objekt 205 um die Achse 215 zu drehen. Ein Scheibenmagnet kann für eine Anordnung des Magneten 210 an einem Ende des drehbaren Objekts 205 (was nicht gezeigt ist) von Interesse sein. Die Drehung des drehbaren Objekts 205 entspricht der Drehung des Scheibenmagneten, vorausgesetzt, dass es eine schlupffreie Beziehung zwischen einer Stirnfläche des drehbaren Objekts 205 und dem Scheibenmagneten gibt.
Als ein noch weiteres Beispiel kann der Magnet 210 einen Magneten einer anderen Form enthalten, der positioniert ist, um sich mit dem drehbaren Objekt 205 um die Achse 215 zu drehen. In einigen Implementierungen kann der Magnet 210 zwei alternierende Pole an zwei Abschnitten des Magneten 210 (z. B. einen Nordpol an einer ersten Hälfte des Magneten 210, einen Südpol an einer zweiten Hälfte des Magneten 210) enthalten. Zusätzlich oder alternativ kann der Magnet 210 einen Dipolmagneten (z. B. einen Dipol-Stabmagneten, einen kreisförmigen Dipolmagneten, einen elliptischen Dipolmagneten usw.), einen Permanentmagneten, einen Elektromagneten, ein Magnetband oder dergleichen enthalten. Der Magnet 210 kann aus einem ferromagnetischen Material (z. B. einem hartmagnetischen Ferrit) bestehen und kann ein Magnetfeld erzeugen. Der Magnet 210 kann ferner einen Seltene-Erden-Magneten umfassen, was aufgrund einer intrinsisch hohen Magnetfeldstärke der Seltene-Erden-Magneten von Vorteil sein kann. Wie oben beschrieben worden ist, kann der Magnet 210 in einigen Implementierungen an dem drehbaren Objekt 205 befestigt oder mit dem drehbaren Objekt 205 gekoppelt sein, für das ein Drehwinkel durch den Winkelsensors 220 gemessen werden soll.
Der Winkelsensor 220 kann eine oder mehrere Vorrichtungen zum Detektieren der Komponenten eines Magnetfelds für die Verwendung beim Bestimmen eines Drehwinkels des Magneten 210 enthalten. Der Winkelsensor 220 kann z. B. eine oder mehrere Schaltungen (z. B. eine oder mehrere integrierte Schaltungen) enthalten. In einigen Implementierungen kann der Winkelsensor 220 an einer Position bezüglich des Magneten 210 angeordnet sein, so dass der Winkelsensor 220 die Komponenten eines durch den Magneten 210 erzeugten Magnetfelds detektieren kann.
In einigen Implementierungen kann der Winkelsensor 220 zwei oder mehr Abtastelemente enthalten, die konfiguriert sind, eine Amplitude einer Komponente eines Magnetfelds, das durch den Magneten 210 am Winkelsensor 220 vorhanden ist, wie z. B. eine Radialkomponente des sich drehenden Magnetfelds, eine Tangentialkomponente des sich drehenden Magnetfelds oder dergleichen, abzutasten.
Das erste und das zweite Abtastelement des Winkelsensors 220 können z. B. als eine einzige Halbbrücke implementiert sein, was einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet bekannt ist. Das erste Abtastelement der Halbbrücke kann konfiguriert sein, die Radialkomponente des sich drehenden Magnetfelds abzutasten, während das zweite Abtastelement der Halbbrücke konfiguriert sein kann, die Tangentialkomponente des sich drehenden Magnetfelds an der Position der jeweiligen Abtastelemente abzutasten. Es wird erkannt, dass der Winkelsensor 220, der nur die einzige Halbbrücke verwendet, nicht imstande ist, eine Winkelposition beim Start eindeutig zu detektieren. Stattdessen ist eine zweite Messung erforderlich, um die den Halbbrücken inhärente Mehrdeutigkeit aufzulösen.
Alternativ kann der Winkelsensor 220 das erste Abtastelement als eine erste Sensor-Halbbrücke, die konfiguriert ist, eine Amplitude der Radialkomponente des durch den Magneten 210 erzeugten sich drehenden Magnetfelds an der Position der ersten Sensorbrücke abzutasten, und eine zweite Sensor-Halbbrücke, die konfiguriert ist, eine Amplitude der Tangentialkomponente des durch den Magneten 210 erzeugten Magnetfelds an der Position der zweiten Sensor-Halbbrücke abzutasten, implementieren. Die Verwendung der ersten und der zweiten Sensor-Halbbrücken ist für Anwendungen von Interesse, bei denen eine Start-Winkelposition erforderlich ist und es nicht praktikabel ist, einen zweiten Messwert zu ermitteln, um die aktuelle Winkelposition festzustellen. Derartige Einschränkungen gelten für Nockenwellen- oder Kurbelwellen-Winkelsensoren in Fahrzeugen, sind aber nicht darauf eingeschränkt. Während die erste und die zweite Halbbrücke im Vergleich zu dem einzigen Halbbrücken-Winkelsensor eine eindeutige Start-Winkelposition und Winkelwerte mit höherer Genauigkeit bereitstellen können, kann als ein Kompromiss der Winkelsensor 220, der die Halbbrücken als die Abtastelemente umfasst, der nun anstatt zwei wie für den einzigen Halbbrücken-Winkelsensor 220 vier magnetoresistive Elemente umfasst, teurer sein. Für den Winkelsensor 220, der unter Verwendung von zwei Halbbrücken als die Abtastelemente implementiert ist, ist jedes Abtastelement konfiguriert, zwei Ausgangssignale (typischerweise ein Sinus- und ein Kosinussignal) auszugeben, die der Amplitude der Komponente des Magnetfelds an der Position der jeweiligen Halbbrücke entsprechen. In einigen Implementierungen können zwei oder mehr Ausgangssignale (z. B. durch den Winkelsensor 220 und/oder den Controller 230) verwendet werden, um einen Drehwinkel des Magneten 210 und folglich den Drehwinkel des drehbaren Objekts 205 zu bestimmen.
Als eine weitere Alternative kann eine Vollbrücke (z. B. Wheatstone-Brücke) als das erste Abtastelement verwendet werden und kann eine zweite Vollbrücke als das zweite Abtastelement verwendet werden, um eine Amplitude der Radialkomponente bzw. der Tangentialkomponente des sich drehenden Magnetfelds zu bestimmen. Die Verwendung der Vollbrücke als das erste und das zweite Abtastelement erhöht die Genauigkeit der bestimmten Radial- und Tangentialkomponenten gegenüber jenen Werten, die unter Verwendung von Halbbrücken als die einzelnen Abtastelemente oder der einen Halbbrücke, die nur sowohl das erste als auch das zweite Abtastelement umfasst, bestimmt werden. Als ein Kompromiss ist der Winkelsensor 220, der zwei Vollbrücken verwendet, teurer, wobei er mehr Raum innerhalb einer integrierten Schaltung erfordert.
In einigen Implementierungen kann die integrierte Schaltung einen integrierten Controller 230 enthalten (so dass z. B. ein Ausgang des Winkelsensors 220 Informationen enthalten kann, die einen Drehwinkel des Magneten 210 und des drehbaren Objekts 205 beschreiben). Zusätzliche Einzelheiten hinsichtlich des Winkelsensors 220 werden im Folgenden bezüglich 3 beschrieben.
2A zeigt eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Umgebung 200. Wie in 2A gezeigt ist, kann in einigen Implementierungen der Winkelsensor 220 in einem radialen Abstand (z. B. d_R) von einer Drehachse des Magneten 210 angeordnet sein. In einigen Implementierungen kann der radiale Abstand kleiner als ein äußerer Radius des Magneten 210 (z. B. R) sein. Falls der radiale Abstand d_R kleiner als der oder gleich dem äußeren Radius R ist, sollte der Winkelsensor 220 an einer Position jenseits einer Stirnfläche des drehbaren Objekts 205 positioniert sein, um sich nicht mit dem drehbaren Objekt 205 zu schneiden. In einigen Implementierungen kann der radiale Abstand größer als der Radius des Magneten 210 sein, wie z. B. ein Abstand, der etwa das Zweifache des Radius des Magneten 210 ist. In einigen Implementierungen kann der radiale Abstand, in dem der Winkelsensor 220 angeordnet ist, einer Position entsprechen, an der eine Amplitude einer Radialkomponente des sich drehenden Magnetfelds, das durch den Magneten 210 erzeugt und durch den Winkelsensor 220 abgetastet wird, im Wesentlichen einer Amplitude einer Tangentialkomponente des sich drehenden Magnetfelds entspricht, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird. Zusätzlich oder alternativ kann der radiale Abstand, in dem der Winkelsensor 220 angeordnet ist, einer Position entsprechen, an der eine Größe des Gradienten der Radialkomponente des sich drehenden Magnetfelds im Wesentlichen die gleiche wie eine Größe des Gradienten der Tangentialkomponente des sich drehenden Magnetfelds ist, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird.
2B zeigt eine Seitenansicht einer beispielhaften Umgebung 200 und kann der Querschnittsansicht der beispielhaften Umgebung 200, die in 2A gezeigt ist, entsprechen. Wie in 2B gezeigt ist, kann in einigen Implementierungen der Winkelsensor 220 in einem axialen Abstand (z. B. d_A) in einer Richtung der Achse 215 und bezüglich einer Oberfläche des Magneten 210 und des drehbaren Objekts 205 angeordnet sein.
Der Controller 230 kann eine oder mehrere Schaltungen enthalten, die dem Bestimmen eines Drehwinkels des Magneten 210 zugeordnet sind und die dem Drehwinkel des Magneten 210 und folglich dem Drehwinkel des drehbaren Objekts 205 zugeordneten Informationen bereitstellen. Der Controller 230 kann z. B. eine oder mehrere Schaltungen (z. B. eine integrierte Schaltung, eine Steuerschaltung, eine Rückkopplungsschaltung usw.) enthalten. Der Controller 230 kann Eingangssignale von einem oder mehreren Sensoren, wie z. B. einem oder mehreren Winkelsensoren 220, empfangen, kann die Eingangssignale (z. B. unter Verwendung eines analogen Signalprozessors, eines digitalen Signalprozessors usw.) verarbeiten, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, und kann das Ausgangssignal einer oder mehreren anderen Vorrichtungen oder einem oder mehreren anderen Systemen bereitstellen. Der Controller 230 kann z. B. ein oder mehrere Eingangssignale von dem Winkelsensor 220 empfangen und kann das eine oder die mehreren Eingangssignale verwenden, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Winkelposition des drehbaren Objekts 205 umfasst.
Die Anzahl und die Anordnung der Vorrichtungen, die in den 2A und 2B gezeigt sind, sind als ein Beispiel bereitgestellt. In der Praxis kann es zusätzliche Vorrichtungen, weniger Vorrichtungen, andere Vorrichtungen oder anders angeordnete Vorrichtungen als jene, die in den 2A und 2B gezeigt sind, geben. Weiterhin können zwei oder mehr Vorrichtungen, die in den 2A und 2B gezeigt sind, innerhalb einer einzigen Vorrichtung implementiert sein, oder kann eine einzige Vorrichtung, die in den 2A und 2B gezeigt ist, als mehrere, verteilte Vorrichtungen implementiert sein. Zusätzlich oder alternativ kann ein Satz von Vorrichtungen (z. B. eine oder mehrere Vorrichtungen) der Umgebung 200 eine oder mehrere Funktionen ausführen, die als durch einen weiteren Satz von Vorrichtungen der Umgebung 200 ausgeführt beschrieben sind.
3 ist eine graphische Darstellung beispielhafter Komponenten des Winkelsensors 220, der in der beispielhaften Umgebung 200 nach den 2A und 2B enthalten ist. Wie gezeigt ist, kann der Winkelsensor 220 zwei oder mehr Abtastelemente 310, einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC, ADC = analog-to-digital converter) 320, einen digitalen Signalprozessor (DSP, DSP = digital signal processor) 330, eine Speicherkomponente 340 und eine digitale Schnittstelle 350 enthalten.
Das Abtastelement 310 kann eine oder mehrere Vorrichtungen zum Abtasten einer Amplitude einer Komponente eines Magnetfelds, das an dem Winkelsensor 220 vorhanden ist, (z. B. des durch den Magneten 210 erzeugten Magnetfelds) enthalten. Das Abtastelement 310 kann z. B. einen Hall-Sensor enthalten, der basierend auf einem Hall-Effekt arbeitet. Als ein weiteres Beispiel kann das Abtastelement 310 einen Magnetowiderstandssensor (MR-Sensor, MR = magnetoresistance) enthalten, der ein magnetoresistives Material (z. B. Nickeleisen (NiFe)) umfasst, wobei der elektrische Widerstand des magnetoresistiven Materials von einer Stärke und/oder einer Richtung des Magnetfelds, das an dem magnetoresistiven Material vorhanden ist, abhängen kann. Hier kann das Abtastelement 310 den Magnetowiderstand basierend auf einem anisotropen Magnetowiderstandseffekt (AMR-Effekt), einem Riesenmagnetowiderstandseffekt (GMR-Effekt), einem Tunnelmagnetowiderstandseffekt (TMR-Effekt) oder dergleichen messen. Als ein zusätzliches Beispiel kann das Abtastelement 310 einen Sensor mit variabler Reluktanz (VR-Sensor, VR = variable reluctance) enthalten, der basierend auf der Induktion arbeitet.
Der ADC 320 kann einen Analog-Digital-Umsetzer enthalten, der ein analoges Signal von dem einen oder den mehreren Abtastelementen 310 in ein digitales Signal umsetzt. Der ADC 320 kann z. B. die von dem einen oder den mehreren Abtastelementen 310 empfangenen analogen Signale in digitale Signale umsetzen, die durch den DSP 330 zu verarbeiten sind. Der ADC 320 kann die digitalen Signale dem DSP 330 bereitstellen. In einigen Implementierungen kann der Winkelsensor 220 einen oder mehrere ADCs 320 enthalten.
Der DSP 330 kann eine digitale Signalverarbeitungsvorrichtung oder eine Sammlung digitaler Signalverarbeitungsvorrichtungen enthalten. In einigen Implementierungen kann der DSP 330 ein digitales Signal von dem ADC 320 empfangen und kann das digitale Signal verarbeiten, um ein Ausgangssignal (das z. B. für den Controller 230 bestimmt ist, was in den 2A oder 2B am besten zu sehen ist), wie z. B. ein Ausgangssignal, das dem Bestimmen des Drehwinkels des Magneten 210, der sich mit dem drehbaren Objekt 205 dreht, zugeordnet ist, zu bilden.
Die optionale Speicherkomponente 340 kann einen Festwertspeicher (ROM, ROM = read-only memory) (z. B. einen EEPROM (EEPROM = electrically erasable programmable read-only memory)), einen Schreib-Lese-Speicher (RAM, RAM = random access memory) und/oder einen weiteren Typ einer dynamischen oder statischen Speichervorrichtung (z. B. einen Flash-Speicher, einen Magnetspeicher, einen optischen Speicher usw.) enthalten, der die Informationen und/oder Anweisungen für die Verwendung durch den Winkelsensor 220 speichert. In einigen Implementierungen kann die Speicherkomponente 340 Informationen speichern, die der durch den DSP 330 ausgeführten Verarbeitung zugeordnet sind. Alternativ kann die Speicherkomponente 340 Konfigurationswerte oder -parameter für die zwei oder mehr Abtastelemente 310 und/oder Informationen für eine oder mehrere andere Komponenten des Winkelsensors 220, wie z. B. den ADC 320 oder die digitale Schnittstelle 350, speichern.
Die digitale Schnittstelle 350 kann eine Schnittstelle enthalten, über die der Winkelsensor 220 Informationen von einer weiteren Vorrichtung empfangen und/oder Informationen einer weiteren Vorrichtung bereitstellen kann, wie z. B. dem Controller 230 (siehe die 2A, 2B). Die digitale Schnittstelle 350 kann z. B. das durch den DSP 330 bestimmte Ausgangssignal dem Controller 230 bereitstellen und ferner Informationen von dem Controller 230 empfangen.
Die Anzahl und die Anordnung der in 3 gezeigten Komponenten sind als ein Beispiel bereitgestellt. In der Praxis kann der Winkelsensor 220 zusätzliche Komponenten, weniger Komponenten, andere Komponenten oder anders angeordnete Komponenten als jene, die in 3 gezeigt sind, enthalten. Zusätzlich oder alternativ kann ein Satz von Komponenten (z. B. eine oder mehrere Komponenten) des Winkelsensors 220 eine oder mehrere Funktionen ausführen, die als durch einen weiteren Satz von Komponenten des Winkelsensors 220 ausgeführt beschrieben sind.
Die 4A und 4B enthalten die graphischen Darstellungen 400, die Beispiele zeigen, wie das Anordnen des Winkelsensors 220 in einer außeraxialen Position bezüglich des Magneten 210, der ein Magnetfeld erzeugt, Nichtlinearitäten in das an dem Winkelsensor 220 vorhandene und folglich durch den Winkelsensor 220 abgetastete Magnetfeld einführen kann. Für die Zwecke der 4A wird angenommen, dass der Winkelsensor 220 an einer Position auf der Achse bezüglich des Magneten 210 angeordnet ist.
Wie im Mittelabschnitt der 4A gezeigt ist, kann eine Größe |B| des durch den Winkelsensor 220 abgetasteten Magnetfelds für irgendeinen Drehwinkel (der als der ”mechanische Winkel” entlang der horizontalen Richtung gezeigt ist) des Magneten 210 homogen (d. h., konstant) sein, wenn der Winkelsensor 210 an der Position auf der Achse angeordnet ist. Wie z. B. durch die ”|B|”-Linie im Mittelabschnitt der 4A gezeigt ist, ist die Größe des sich drehenden Magnetfelds, das an dem Winkelsensor 220 für irgendeinen Drehwinkel vorhanden ist, konstant. Hier kann der Drehwinkel basierend auf der Radialkomponente (z. B. ”Br”) und der Tangentialkomponente (”Bt”) bestimmt werden, die die homogene Größe des Magnetfelds basierend auf der folgenden Gleichung bilden:
Die Homogenität der Größe des Magnetfelds kann durch den Schnittpunkt der Radialkomponente und der Tangentialkomponente bei einem Drehwinkel von 45° (der durch den Pfeil im Mittelabschnitt der 4A gezeigt ist) weiter veranschaulicht werden. Mit anderen Worten, ein homogenes Magnetfeld würde verursachen, dass die Radialkomponente und die Tangentialkomponente bei einem Drehwinkel von 45° gleich sind.
Die Homogenität der Größe des sich drehenden Magnetfelds kann außerdem durch die Kreisform der graphischen Darstellung im linken Abschnitt der 4A veranschaulicht werden. Wie gezeigt ist, liefert das graphische Darstellen der Tangentialkomponente Bt über der Radialkomponente Br die Kreisform, vorausgesetzt, dass es keine weiteren Wirkungen gibt, die die Magnetfeldkomponenten Br und Bt beeinflussen, wie z. B. Variationen der Position des Winkelsensors 220 oder Versatzfehler der einzelnen Abtastelemente 310 des Winkelsensors 220, was einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet bekannt ist.
Wie durch den rechten Abschnitt der 4A gezeigt ist, kann aufgrund der Homogenität der Größe des Magnetfelds |B| die Richtung des durch den Winkelsensor 220 abgetasteten Magnetfelds eine lineare eindeutige Beziehung bezüglich des Drehwinkels des Magneten 210 aufweisen. Mit anderen Worten, die Richtung des durch den Winkelsensor 220 abgetasteten sich drehenden Magnetfelds kann für eine Positionierung des Winkelsensors 220 auf der Achse linear bezüglich des Drehwinkels des Magneten 210 variieren. In einem derartigen Fall kann eine EOL-Eichung nicht erforderlich sein und/oder kann der Winkelsensor 220 gegen eine Positionierungstoleranz, wie z. B. eine Zusammenbautoleranz, eine dynamische Toleranz aufgrund einer Schwingung, oder dergleichen, robust sein. Wenn jedoch der Winkelsensor 220 an einer außeraxialen Position angeordnet ist, können in das an dem Winkelsensor 220 vorhandene Magnetfeld Nichtlinearitäten eingeführt sein, wie im Folgenden bezüglich 4B beschrieben wird.
Für die Zwecke der 4B wird angenommen, dass der Winkelsensor 220 an einer außeraxialen Position bezüglich des Magneten 210 angeordnet ist, was in 2A als ein nicht einschränkendes Beispiel gezeigt ist. Wie in dem Mittelabschnitt der 4B gezeigt ist, kann die Größe des durch den Winkelsensors 220 abgetasteten sich drehenden Magnetfeldes |B| für verschiedene Drehwinkel (die als der ”mechanische Winkel” gezeigt sind) des Magneten 210 nicht homogen sein (d. h., nicht konstant sein), wenn der Winkelsensor 220 an der außeraxialen Position angeordnet ist. Wie z. B. durch die ”|B|”-Linie im Mittelabschnitt der 4B gezeigt ist, kann die Größe des durch den Winkelsensor 220 abgetasteten sich drehenden Magnetfelds für verschiedene Drehwinkel des Magneten 210 nicht konstant sein, wenn sie durch den Winkelsensor 220 abgetastet wird. Ein basierend auf der Radialkomponente (z. B. ”Br”) und der Tangentialkomponente (z. B. ”Bt”), die gemäß der obigen Formel die inhomogene Größe des sich drehenden Magnetfelds bilden, bestimmter Drehwinkel als solcher kann den Drehwinkel des Magneten 210 nicht genau repräsentieren (der Drehwinkel kann z. B. einen Winkelfehler enthalten). Die Inhomogenität der Größe des Magnetfelds kann weiter durch die Ungleichheit der Radialkomponente und der Tangentialkomponente bei einem Drehwinkel von 45° (der durch den Pfeil in dem Mittelabschnitt der 4B gezeigt ist) weiter veranschaulicht werden. Mit anderen Worten, ein inhomogenes Magnetfeld würde verursachen, dass sich die Radialkomponente und die Tangentialkomponente bei einem Drehwinkel von 45° unterscheiden.
Die Inhomogenität des Magnetfelds kann außerdem durch die elliptische Form der graphischen Darstellung im linken Abschnitt der 4B veranschaulicht werden. Wie gezeigt ist, liefert das graphische Darstellen der Tangentialkomponente Bt über der Radialkomponente Br die elliptische Form, vorausgesetzt, dass es keine weiteren Wirkungen gibt, die die Magnetfeldkomponenten Br und Bt beeinflussen, wie z. B. Variationen der Position des Winkelsensors 220 oder Versatzfehler der einzelnen Abtastelemente 310, was einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet bekannt ist.
Wie durch den rechten Abschnitt der 4B gezeigt ist, kann aufgrund der Inhomogenität der Größe des durch den Winkelsensors 220 abgetasteten sich drehenden Magnetfelds die Richtung des Magnetfelds keine lineare Beziehung bezüglich des Drehwinkels des Magneten 210 und folglich des drehbaren Objekts 205 aufweisen. Mit anderen Worten, die Richtung des durch den Winkelsensor 220 abgetasteten Magnetfelds kann sich nicht linear bezüglich des Drehwinkels des Magneten 210 ändern. Als solche kann eine EOL-Eichung des Winkelsensors 220 erforderlich sein. Weiterhin kann die außeraxiale Positionierung des Winkelsensors 220 eine Robustheit des Winkelsensors 220 gegen Positionierungstoleranzen verringern.
Wie im Folgenden beschrieben wird, kann der Winkelsensor 220 an einer ersten außeraxialen Position angeordnet sein, so dass eine EOL-Eichung nicht erforderlich sein kann. Alternativ kann der Winkelsensor 220 an einer zweiten außeraxialen Position angeordnet sein, so dass der Winkelsensor 220 gegen Positionierungstoleranzen robust ist, wie im Folgenden beschrieben wird.
Wie oben angegeben worden ist, sind die 4A und 4B lediglich als Beispiele bereitgestellt. Es sind andere Beispiele möglich, wobei sie sich von dem unterscheiden können, was bezüglich der 4A und 4B beschrieben worden ist.
Die 5A–5D sind graphische Darstellungen einer beispielhaften Implementierung 500 bezüglich der außeraxialen Positionierung des Winkelsensors 220, die hier beschrieben wird. Für die Zwecke der beispielhaften Implementierung 500 wird angenommen, dass der Magnet 210 mit dem drehbaren Objekt 205 verbunden ist, das positioniert ist, um sich konzentrisch um die Achse 215 zu drehen. Ferner wird angenommen, dass der Winkelsensor 220 an einer außeraxialen Position bezüglich der Achse 215 angeordnet ist, um die sich das drehbare Objekt 205 konzentrisch dreht. Der Winkelsensor 220 kann z. B. aufgrund einer Abstandseinschränkung an einer außeraxialen Position angeordnet sein. Als ein weiteres Beispiel kann der Winkelsensor 220 aufgrund einer möglichen Bewegung des drehbaren Objekts (und des Magneten 210) in einer anderen Richtung, wie z. B. einer vertikalen Richtung bezüglich des Winkelsensors 220, einer horizontalen Richtung bezüglich des Winkelsensors 220 oder dergleichen, an einer außeraxialen Position angeordnet sein.
Wie in einer Querschnittsansicht im linken Abschnitt der 5A gezeigt ist, kann der Magnet 210 einen Ringmagneten mit einem inneren Radius von 7 Millimetern (mm) und einem äußeren Radius von 12 mm enthalten. Es sei weiter angenommen, dass der Winkelsensor 220 in einem axialen Abstand (z. B. einem Abstand in der axialen Richtung von einer Oberfläche des Magneten 210 und dem drehbaren Objekt 205) von 3 mm angeordnet ist, was in der Seitenansicht im rechten Abschnitt der 5B am besten zu sehen ist. Hier kann es erwünscht sein, den Winkelsensor 220 an einer ersten Position, die einem ersten radialen Abstand (z. B. d_R1) von der Drehachse entspricht, so dass eine EOL-Eichung des Winkelsensors 220 nicht erforderlich ist, oder an einer zweiten Position, die einem zweiten radialen Abstand von der Drehachse (z. B. d_R2) entspricht, so dass der Winkelsensor 220 gegen eine oder mehrere Positionierungstoleranzen robust ist, anzuordnen.
5B ist eine graphische Darstellung, die dem Identifizieren einer außeraxialen Position für den Winkelsensor 220 zugeordnet ist, um die Notwendigkeit für eine EOL-Eichung zu eliminieren oder um die Robustheit des Winkelsensors 220 gegen eine Positionierungstoleranz zu vergrößern. Wie gezeigt ist, können in einigen Implementierungen der erste radiale Abstand und der zweite radiale Abstand basierend auf dem Vergleichen einer Radialkomponente eines durch den Magneten 210 erzeugten sich drehenden Magnetfelds und einer Tangentialkomponente des durch den Magneten 210 erzeugten sich drehenden Magnetfelds über einen Bereich von radialen Abständen an einer jeweiligen radialen Position des Winkelsensors 220 bestimmt werden. Für einen beispielhaften Magneten sind die Radialkomponente (die massiven Punkte in 5B) des sich drehenden Magnetfelds und die Tangentialkomponente (die offenen Quadrate in 5B) des sich drehenden Magnetfelds für einen radialen Abstand, der von 0 mm bis 35 mm reicht, in 5B graphisch dargestellt. Die Radialkomponente und die Tangentialkomponente können über den Bereich der radialen Abstände (z. B. zwischen etwa –140 Millitesla (mT) und etwa 50 mT) variieren.
Hier kann die erste Position, die dem ersten radialen Abstand entspricht, der dem Eliminieren einer Notwendigkeit für die EOL-Eichung zugeordnet ist, durch einen radialen Abstand identifiziert werden, in dem die Amplitude der Radialkomponente des Magnetfelds im Wesentlichen (z. B. innerhalb 1%, innerhalb 5%, innerhalb 10% usw.) der Amplitude der Tangentialkomponente des Magnetfelds entspricht. In diesem Beispiel kann die erste Position als eine Position mit einem radialen Abstand von etwa 11,8 mm von der Drehachse identifiziert werden (die z. B. durch den dem Punkt 1 entsprechenden schraffierten Bereich identifiziert ist). Falls der Winkelsensor 220 in einem radialen Abstand von 11,8 von der Drehachse des Magneten 210 angeordnet ist, kann hier die Amplitude der Radialkomponente des Magnetfelds im Wesentlichen der Tangentialkomponente des Magnetfelds entsprechen. Eine Notwendigkeit für eine EOL-Eichung des Winkelsensors 220 als solche kann eliminiert werden, wenn der Winkelsensor 220 11,8 mm von der Drehachse angeordnet wird. Hier führt die wesentliche Übereinstimmung zwischen der Amplitude der Radialkomponente des Magnetfelds und der Amplitude der Tangentialkomponente des Magnetfelds zu einer Vektorlänge (einem Modul zwischen der Radialkomponente und der Tangentialkomponente) einer im Wesentlichen konstanten Größe während einer vollständigen (z. B. 360°) Drehung. Deshalb ist eine Winkeländerung der Magnetfeldrichtung zu der mechanischen Drehung des Magneten 210, der mit dem drehbaren Objekt 205 verbunden ist, im Wesentlichen linear. Da das Verhalten linear ist, wird kein Winkelfehler eingeführt, was eine Notwendigkeit für eine Eichung am Ende der Fertigungsstraße und/oder einen anderen Typ der Kompensation eliminiert.
Die zweite Position, die dem zweiten radialen Abstand entspricht, der der Vergrößerung der Robustheit gegen Positionierungstoleranzen zugeordnet ist, kann als ein radialer Abstand identifiziert werden, bei dem eine Größe eines Gradienten der Radialkomponente des sich drehenden Magnetfelds im Wesentlichen die gleiche wie (z. B. innerhalb 1%, innerhalb 5%, innerhalb 10% usw.) eine Größe eines Gradienten der Tangentialkomponente des sich drehenden Magnetfelds ist. In diesem Beispiel kann die zweite Position als eine Position mit einem radialen Abstand von etwa 23,0 mm von der Drehachse identifiziert werden (die z. B. durch den schraffierten Bereich, der dem Punkt 2 entspricht, identifiziert ist). Falls der Winkelsensor 220 in einem radialen Abstand von 23,0 von der Drehachse des Magneten 210 angeordnet ist, kann hier die Größe des Gradienten der Radialkomponente des sich drehenden Magnetfelds im Wesentlichen die gleiche wie die Größe des Gradienten der Tangentialkomponente des sich drehenden Magnetfelds sein. Der Winkelsensor 220 als solcher kann für das veranschaulichte Beispiel gegen eine oder mehrere Positionierungstoleranzen (z. B. eine Zusammenbautoleranz, eine dynamische Toleranz usw.) robust sein, wenn der Winkelsensor 220 23,0 mm von der Drehachse angeordnet ist.
Insbesondere kann die zweite Position basierend auf einem radialen Abstand, in dem die Größen der Gradienten im Wesentlichen die gleichen sind, anstatt auf einem radialen Abstand, in dem die Gradienten im Wesentlichen die gleichen sind, identifiziert werden. Mit anderen Worten, die Gradienten müssen nicht das gleiche Vorzeichen aufweisen (die Radialkomponente kann z. B. einen positiven Gradienten aufweisen, während die Tangentialkomponente einen negativen Gradienten aufweisen kann), wie in 5B gezeigt ist.
In einigen Implementierungen wie in der veranschaulichten beispielhaften Implementierung 500 kann die erste Position einem ersten radialen Abstand entsprechen, der etwa gleich einem Radius des Magneten 210 ist (z. B. 12 mm 11,8 mm). Ähnlich kann die zweite Position einem zweiten radialen Abstand entsprechen, der etwa gleich dem Zweifachen des Radius des Magneten 210 ist (z. B. 12 mm × 2 ≈ 23 mm).
In einigen Implementierungen können der erste radiale Abstand und der zweite radiale Abstand von einem oder mehreren geometrischen Faktoren abhängen, die dem Magneten 210 und/oder dem Winkelsensor 220 zugeordnet sind, wie z. B. einem inneren Radius des Magneten 210, einem äußeren Radius des Magneten 210, einem axialen Abstand, in dem der Winkelsensor 220 bezüglich einer Oberfläche des Magneten 210 angeordnet werden soll, oder dergleichen. Zusätzlich oder alternativ können der erste radiale Abstand und der zweite radiale Abstand von einem oder mehreren Materialfaktoren abhängen, die dem Magneten 210 und/oder dem Winkelsensor 220 zugeordnet sind, wie z. B. einem Materialtyp, aus dem der Magnet 210 aufgebaut ist, einer Stärke eines durch den Magneten 210 erzeugten Magnetfelds, eines Typs des Winkelsensors 220 (z. B. Hall-Effekt, AMR, GMR, TMR, VR usw.) oder der gleichen. Mit anderen Worten, der erste radiale Abstand und der zweite radiale Abstand können basierend auf einem oder mehreren geometrischen Faktoren und/oder Materialfaktoren, die dem Magneten 210 und/oder dem Winkelsensor 220 zugeordnet sind, variieren.
5C ist eine graphische Darstellung, die ein Beispiel der Robustheit des Winkelsensors 220 gegen eine radiale Positionierungstoleranz von 0,3 mm zeigt, wenn der Winkelsensor 220 an der zweiten Position (z. B. 23 mm) angeordnet ist. Die massiven Symbole in 5C entsprechenden der Radial- und der Tangentialkomponente (siehe die linke Skala der 5C) des sich drehenden Magnetfelds über dem Drehwinkel an einer radialen Position von 23 mm, die den Bereich 2 nach 5B entspricht. Für den Vergleich entsprechen die offenen Symbole der Radial- und der Tangentialkomponente des sich drehenden Magnetfelds in einem radialen Abstand von 23,3 mm. Die Radialkomponente des sich drehenden Magnetfelds ist für die radiale Position von 23 mm als ein massiver Kreis veranschaulicht, während die offenen Kreise die Radialkomponente des sich drehenden Magnetfelds an der radialen Position von 23,3 mm repräsentieren. Die Tangentialkomponente des sich drehenden Magnetfelds ist für die radiale Position von 23 mm als massive Quadrate veranschaulicht, während die offenen Quadrate die Tangentialkomponente des sich drehenden Magnetfelds an der radialen Position von 23,3 mm repräsentieren. Wie gezeigt ist, kann selbst bei einer Verschiebung von 0,3 mm in der radialen Richtung (z. B. aufgrund einer Zusammenbautoleranz, einer Schwingung, einer dynamischen Toleranz usw.) die Radialkomponente des Magnetfelds bei 23,0 mm und 23,3 mm im Wesentlichen unverändert sein (was durch das Vergleichen der offenen und geschlossenen Quadrate in 5C am besten zu sehen ist). Die Tangentialkomponente des Magnetfelds bleibt außerdem im Wesentlichen unverändert (was durch das Vergleichen der offenen und der geschlossenen Kreise in 5C am besten zu sehen ist). Wie (z. B. durch die ”Delta(°)”-Linie, die die rechte Skala der 5C betrifft) weiter gezeigt ist, kann ein Winkelfehler zwischen einem an der radialen Position von 23,0 mm und der radialen Position von 23,3 mm bestimmten Winkel im Wesentlichen kleiner als 1° sein. Ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkennt, dass der Fehler, der in 5C gezeigt ist, durch etwas Rauschen aufgrund eines Artefakts von einem bei der Simulation verwendeten Netz, aber nicht eine zuverlässige Darstellung des Winkelfehlers beherrscht ist. Der Winkelsensor 220 als solcher, der an der zweiten radialen Position angeordnet ist, kann gegen eine Positionierungstoleranz in der radialen Richtung robust sein.
5D ist eine beispielhafte graphische Darstellung, die die Robustheit des Winkelsensors 220 gegen eine axiale Positionierungstoleranz von 0,3 mm zeigt, wenn der Winkelsensor 220 an der zweiten Position (z. B. 23 mm) und in einem axialen Abstand von 3,0 mm (d. h., dem axialen Abstand, der oben bezüglich der beispielhaften Implementierung 500 beschrieben worden ist) angeordnet ist. Wie gezeigt ist, sind selbst bei der Verschiebung von 0,3 mm in der axialen Richtung (z. B. aufgrund einer Zusammenbautoleranz, einer Schwingung, einer dynamischen Toleranz usw.) die Radialkomponente des sich drehenden Magnetfelds, das dem axialen Abstand von 3,0 mm entspricht, (die massiven Kreise in 5D) und die Radialkomponente des sich drehenden Magnetfelds in dem axialen Abstand von 3,3 mm (die offenen Kreise in 5D) im Wesentlichen unverändert. Die Tangentialkomponente des sich drehenden Magnetfelds kann durch die Variation von 0,3 mm in der axialen Richtung außerdem im Wesentlichen unverändert sein (was durch das Vergleichen der massiven Quadrate und der offenen Quadrate in 5D am besten zu sehen ist). Wie ferner (z. B. durch die ”Delta(°)”-Linie, die die rechte Skala der 5D betrifft) gezeigt ist, kann ein Winkelfehler zwischen einem an der axialen Position von 3,0 mm und der axialen Position von 3,3 mm bestimmten Winkel etwa kleiner als 1° sein. Durch das Vergleichen der Winkelfehler nach den 5C und 5D wird herausgefunden, dass es in dem Fehler für 5D irgendeine Variation gibt, da der Fehler neben dem durch das in der Simulation verwendete Netz verursachten Artefakt irgendeine Art von Schwingungsverhalten zeigt. Der an der zweiten Position angeordnete Winkelsensor 220 als solcher kann gegen eine Positionierungstoleranz in der axialen Richtung robust sein.
In einigen Implementierungen kann die axiale Robustheit des Winkelsensors 220 mit zusätzlichen Magneten 210 weiter vergrößert werden. Wenn z. B. der Winkelsensor 220 zwischen zwei Magneten 210 angeordnet ist, die konfiguriert sind, sich um eine Achse zu drehen, dann kann der Winkelfehler aufgrund der axialen Positionierungstoleranzen weiter verringert oder sogar eliminiert werden (z. B. ohne eine Software-Kompensation).
Wie oben angegeben worden ist, sind die 5A–5D lediglich als ein Beispiel bereitgestellt. Mit anderen Worten, alle Radien, Abstände, Positionen und dergleichen, die der beispielhaften Implementierung 500 zugeordnet sind, sind lediglich als Beispiele bereitgestellt, um ein Verständnis dessen zu fördern, wie vorteilhafte außeraxiale Positionen für den Winkelsensor 220 zu bestimmen sind. Andere Beispiele sind möglich und können sich von dem unterscheiden, was bezüglich der 5A–5D beschrieben worden ist.
Die hier beschriebenen Implementierungen können sich auf das Anordnen eines Winkelsensors an einer ersten außeraxialen Position bezüglich eines Magneten beziehen, so dass eine Amplitude einer Radialkomponente eines sich drehenden Magnetfelds, das durch den Magneten erzeugt wird, im Wesentlichen einer Amplitude einer Tangentialkomponente des sich drehenden Magnetfelds entspricht. In einigen Implementierungen kann das Anordnen des Winkelsensors an der ersten außeraxialen Position eine Notwendigkeit für eine EOL-Eichung des Winkelsensors eliminieren.
Die hier beschriebenen Implementierungen können sich ferner auf das Anordnen des Winkelsensors an einer zweiten außeraxialen Position beziehen, so dass eine Größe des Gradienten der Radialkomponente des sich drehenden Magnetfelds im Wesentlichen die gleiche wie eine Größe des Gradienten der Tangentialkomponente des sich drehenden Magnetfelds ist. In einigen Implementierungen kann das Anordnen des Winkelsensors an der zweiten außeraxialen Position die Robustheit des Winkelsensors gegen eine oder mehrere Positionierungstoleranzen vergrößern.
Die vorhergehende Offenbarung stellt eine Veranschaulichung und eine Beschreibung bereit, wobei sie aber nicht vorgesehen ist, vollständig zu sein oder die Implementierungen auf die genaue offenbarte Form einzuschränken. Modifikationen und Variationen sind in Anbetracht der obigen Offenbarung möglich oder können aus der Praxis der Implementierungen erlangt werden.
Selbst wenn spezielle Kombinationen von Merkmalen in den Ansprüchen dargelegt sind und/oder in der Beschreibung offenbart sind, sind diese Kombinationen nicht vorgesehen, die Offenbarung der möglichen Implementierungen einzuschränken. Tatsächlich können diese Merkmale in Weisen, die nicht spezifisch in den Ansprüchen dargelegt und/oder in der Beschreibung offenbart sind, kombiniert werden. Obwohl jeder im Folgenden aufgelistete abhängig Anspruch direkt von nur einem Anspruch abhängen kann, enthält die Offenbarung der möglichen Implementierungen jeden abhängigen Anspruch in Kombination mit jedem anderen Anspruch in dem Anspruchssatz.
Kein Element, keine Handlung oder keine Anweisung, die hier verwendet werden, sollte als kritisch oder wesentlich ausgelegt werden, wenn es bzw. sie nicht explizit als solches beschrieben worden ist. Die Artikel ”ein” und ”eine”, wie sie hier verwendet werden, sind vorgesehen, ein oder mehrere Elemente zu enthalten, wobei sie synonym mit ”ein oder mehrere” verwendet werden können. Weiterhin ist der Begriff ”Satz”, wie er hier verwendet wird, vorgesehen, ein oder mehrere Elemente (z. B. in Beziehung stehende Elemente, nicht in Beziehung stehende Elemente, eine Kombination aus in Beziehung stehenden Elementen und nicht in Beziehung stehenden Elementen usw.) zu enthalten, wobei er synonym mit ”ein oder mehrere” verwendet werden kann. Wenn nur ein Element beabsichtigt ist, wird der Begriff ”ein” oder eine ähnliche Sprache verwendet. Es ist vorgesehen, dass die Begriffe ”weist auf”, ”aufweisen”, ”aufweisend” oder dergleichen, wie sie hier verwendet werden, erweiterbare Begriffe sind. Ferner ist vorgesehen, dass die Redewendung ”basierend auf” ”wenigstens teilweise basierend auf” bedeutet, wenn es nicht explizit anders dargelegt ist.

Claims

System, das Folgendes umfasst: einen Magneten, der an einem drehbaren Objekt befestigt ist, wobei das drehbare Objekt positioniert ist, um sich konzentrisch um eine Achse zu drehen; und einen magnetischen Winkelsensor, der konfiguriert ist, einen Drehwinkel des drehbaren Objekts basierend auf einem sich drehenden Magnetfeld, das durch den Magneten erzeugt und durch den magnetischen Winkelsensor abgetastet wird, zu bestimmen, wobei das sich drehende Magnetfeld eine Radialkomponente und eine Tangentialkomponente aufweist, der magnetische Winkelsensor an einer Sensorposition positioniert ist, die einen von null verschiedenen radialen Abstand von der Achse aufweist, wobei an der Sensorposition eine Amplitude der Radialkomponente im Wesentlichen einer Amplitude der Tangentialkomponente entspricht oder an der Sensorposition die Radialkomponente und die Tangentialkomponente eine im Wesentlichen gleiche Größe des Gradienten aufweisen.
System nach Anspruch 1, wobei der von null verschiedene radiale Abstand von der Achse etwa gleich einem Magnetradius für die Sensorposition ist, an der die Amplitude der Radialkomponente im Wesentlichen der Amplitude der Tangentialkomponente entspricht, wobei der Magnetradius ein äußerer Radius ist, wenn der Magnet ein Ringmagnet ist, oder der Magnetradius ein Scheibenradius ist, wenn der Magnet ein Scheibenmagnet ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei der von null verschiedene radiale Abstand von der Achse etwa gleich dem Zweifachen eines Magnetradius für die Sensorposition ist, an der die Radialkomponente und die Tangentialkomponente die im Wesentlichen gleiche Größe des Gradienten aufweisen, wobei der Magnetradius ein äußerer Radius ist, wenn der Magnet ein Ringmagnet ist, oder der Magnetradius ein Scheibenradius ist, wenn der Magnet ein Scheibenmagnet ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Radialkomponente und die Tangentialkomponente bereitgestellt sind, um den Drehwinkel des drehbaren Objekts zu bestimmen.
System nach Anspruch 4, wobei ein Winkelfehler des bestimmten Drehwinkels etwa kleiner als ein Grad ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der magnetische Winkelsensor in einem von null verschiedenen axialen Abstand von einer Oberfläche des Magneten positioniert ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der magnetische Winkelsensor konfiguriert ist, die Radialkomponente oder die Tangentialkomponente basierend auf einem Hall-Effekt, einem Tunnelmagnetowiderstandseffekt (TMR-Effekt), einem Riesenmagnetowiderstandseffekt (GMR-Effekt) oder einem anisotropen Magnetowiderstandseffekt (AMR-Effekt) abzutasten.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Magnet einen Ringmagneten oder einen Scheibenmagneten enthält.
Magnetischer Winkelsensor, der Folgendes umfasst: eine oder mehrere Sensorkomponenten, die konfiguriert sind: basierend auf einem durch einen Magneten erzeugten sich drehenden Magnetfeld einen Drehwinkel des Magneten während einer im Wesentlichen konzentrischen Drehung des Magneten mit einem drehbaren Objekt zu bestimmen, wobei das drehbare Objekt positioniert ist, um sich im Wesentlichen konzentrisch um eine Achse zu drehen, das sich drehende Magnetfeld eine Radialkomponente und eine Tangentialkomponente aufweist, und der magnetische Winkelsensor an einer Sensorposition positioniert ist, die einen von null verschiedenen radialen Abstand von der Achse aufweist, wobei eine Amplitude der Radialkomponente im Wesentlichen einer Amplitude der Tangentialkomponente an der Sensorposition entspricht.
Magnetischer Winkelsensor nach Anspruch 9, wobei der von null verschiedene radiale Abstand etwa gleich einem Radius des Magneten ist, wobei der Radius ein äußerer Radius ist, wenn der Magnet ein Ringmagnet ist, oder der Radius ein Scheibenradius ist, wenn der Magnet ein Scheibenmagnet ist.
Magnetischer Winkelsensor nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Radialkomponente und die Tangentialkomponente bereitgestellt sind, um den Drehwinkel des drehbaren Objekts zu bestimmen.
Magnetischer Winkelsensor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der magnetische Winkelsensor in einem von null verschiedenen axialen Abstand von einer Oberfläche des Magneten positioniert ist.
Magnetischer Winkelsensor nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die eine oder die mehreren Sensorkomponenten konfiguriert sind, die Radialkomponente oder die Tangentialkomponente basierend auf einem Hall-Effekt, einem Tunnelmagnetowiderstandseffekt (TMR-Effekt), einem Riesenmagnetowiderstandseffekt (GMR-Effekt) oder einem anisotropen Magnetowiderstandseffekt (AMR-Effekt) abzutasten.
Magnetischer Winkelsensor nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei der Magnet ein Ringmagnet oder ein Scheibenmagnet ist und der magnetische Winkelsensor bezüglich des Ringmagneten oder des Scheibenmagneten positioniert ist.
Magnetischer Winkelsensor, der Folgendes umfasst: eine oder mehrere Sensorkomponenten, die konfiguriert sind: basierend auf einem durch einen Magneten erzeugten sich drehenden Magnetfeld einen Drehwinkel des Magneten während einer im Wesentlichen konzentrischen Drehung des Magneten, der mit einem drehbaren Objekt verbunden ist, zu bestimmen, wobei das drehbare Objekt positioniert ist, um sich im Wesentlichen konzentrisch um eine Achse zu drehen, das sich drehende Magnetfeld eine Radialkomponente und eine Tangentialkomponente aufweist, und der magnetische Winkelsensor an einer Sensorposition positioniert ist, die einen von null verschiedenen radialen Abstand von der Achse aufweist, wobei die Radialkomponente und die Tangentialkomponente eine im Wesentlichen gleiche Größe des Gradienten an der Sensorposition aufweisen.
Magnetischer Winkelsensor nach Anspruch 15, wobei der von null verschiedene radiale Abstand vom Mittelpunkt des Magneten etwa gleich dem Zweifachen eines Radius des Magneten ist, wobei der Radius ein äußerer Radius ist, wenn der Magnet ein Ringmagnet ist, oder der Radius ein Scheibenradius ist, wenn der Magnet ein Scheibenmagnet ist.
Magnetischer Winkelsensor nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Radialkomponente und die Tangentialkomponente bereitgestellt sind, um den Drehwinkel des Magneten und folglich des drehbaren Objekts zu bestimmen, wobei der bestimmte Drehwinkel des Magneten einen Winkelfehler enthält, der etwa kleiner als ein Grad ist.
Magnetischer Winkelsensor nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei der magnetische Winkelsensor in einem von null verschiedenen axialen Abstand von einer Oberfläche des Magneten positioniert ist.
Magnetischer Winkelsensor nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die eine oder die mehreren Sensorkomponenten konfiguriert sind, die Radialkomponente oder die Tangentialkomponente basierend auf einem Hall-Effekt, einem Tunnelmagnetowiderstandseffekt (TMR-Effekt), einem Riesenmagnetowiderstandseffekt (GMR-Effekt) oder einem anisotropen Magnetowiderstandseffekt (AMR-Effekt) abzutasten.
Magnetischer Winkelsensor nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei der Magnet ein Ringmagnet oder ein Scheibenmagnet ist und der magnetische Winkelsensor bezüglich des Ringmagneten oder des Scheibenmagneten positioniert ist.