DE102017128869B3

DE102017128869B3 - Magnetwinkelsensoranordnung und Verfahren zum Schätzen eines Rotationswinkels

Info

Publication number: DE102017128869B3
Application number: DE102017128869.4A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2017-12-05
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2037-12-06
Also published as: CN109990697A; US20190170497A1; CN109990697B; US10989516B2

Abstract

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Magnetwinkelsensoranordnung (100). Die Magnetwinkelsensoranordnung (100) umfasst einen Multipolmagneten (130), der um eine Rotationsachse (115) drehbar ist. Eine geometrische Anordnung des Multipolmagneten (120) ist rotationsmäßig asymmetrisch im Hinblick auf die Rotationsachse (115). Eine Mehrzahl von Magnetfeldsensorschaltungen (140) ist um die Rotationsachse (115) an vordefinierten, äquidistanten Winkelpositionen in einer vordefinierten axialen Distanz von dem Multipolmagneten (130) platziert, wobei jede Magnetfeldsensorschaltung (140) ein erstes Magnetfeldsensorelement, das empfindlich für eine erste Magnetfeldkomponente ist, und zweites Magnetfeldsensorelement, das empfindlich für eine zweite Magnetfeldkomponente ist, die senkrecht zu der ersten Magnetfeldkomponente ist, umfasst. Die Verarbeitungsschaltungsanordnung (150) ist ausgebildet, um eine erste Zwischen-Winkelinformation basierend auf einer Kombination von Signalen von der Mehrzahl von ersten Magnetfeldsensorelementen zu berechnen, um eine zweite Zwischen-Winkelinformation basierend auf einer Kombination von Signalen von der Mehrzahl von zweiten Magnetfeldsensorelementen zu berechnen, und um einen Schätzwert eines Rotationswinkels der Halterung (120) und/oder des Multipolmagneten (130) basierend auf der ersten und zweiten Zwischen-Winkelinformation zu berechnen.

Description

Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zum Schätzen von Rotationswinkeln von drehbaren Körpern.
Hintergrund
Magnetsensoren, z. B. Hall-Sensoren oder magnetoresistive Sensoren, werden in vielen modernen Winkelpositionserfassungssystemen verwendet, um die Winkelposition eines drehbaren Objekts, z. B. einer Welle, eines Polrads oder eines Getrieberads, zu detektieren. Derartige Winkelpositionssensoren weisen Anwendungen auf vielen Gebieten auf, z. B. automobil, industriell etc. Bei Automobilen werden Winkelpositionssensoren zum Beispiel in bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren; BLDC = Brushless Direct Current), um eine Rotorposition während des Betriebs zu detektieren, oder bei der Lenkwinkelmessung, um Information über die Richtung bereitzustellen, in die ein Fahrer fahren möchte, für automatische Lenkanwendungen (z. B. elektrische Servolenkung, elektronische Stabilitätssteuerung, Aktivlenkungssystem, Parkassistenzsystem etc.) verwendet. Einige Beispiele solcher Winkelpositionserfassungssysteme sind in den Veröffentlichungsschriften DE 10 2015 115 247 A1 , DE 10 2016 102 978 A1 , oder DE 10 2006 060 622 A1 beschrieben.
Einige Anwendungen erfordern eindeutige Winkelmessungen innerhalb 0° bis 360°, d.h. innerhalb einer vollen Umdrehung des sich drehenden Objekts, oder sogar von 0° bis zu Mehrfachen von 360°, d.h. mehrfachen Umdrehungen. Exakte Messungen für solche Anwendungen bereitzustellen kann anspruchsvoll sein und es besteht ein Bedarf nach verbesserten Winkelmesskonzepten.
Zusammenfassung
Diese Aufgabe wird gelöst durch Magnetwinkelsensoranordnungen und Verfahren zum Schätzen von Rotationswinkeln gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele werden durch die abhängigen Ansprüche sowie die detaillierte Beschreibung adressiert.
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung eine Magnetwinkelsensoranordnung bereit. Die Magnetwinkelsensoranordnung umfasst einen Multipolmagneten, der um eine Rotationsachse drehbar ist. Eine geometrische Anordnung/Aufbau des Multipolmagneten ist rotationsmäßig asymmetrisch im Hinblick auf die Rotationsachse. Eine Mehrzahl von Magnetfeldsensorschaltungen ist um die Rotationsachse an vordefinierten, äquidistanten Winkelpositionen in einer vordefinierten axialen Distanz von dem Multipolmagneten platziert. Jede der Mehrzahl von Magnetfeldsensorschaltungen umfasst ein entsprechendes erstes Magnetfeldsensorelement, das empfindlich für eine erste Magnetfeldkomponente ist, und ein entsprechendes zweites Magnetfeldsensorelement, das empfindlich für eine zweite Magnetfeldkomponente ist, die senkrecht zu der ersten Magnetfeldkomponente ist. Die Magnetwinkelsensoranordnung umfasst ferner eine Verarbeitungsschaltungsanordnung, die ausgebildet ist, um eine erste Zwischen-Winkelinformation basierend auf einer Kombination von Signalen von der Mehrzahl von ersten Magnetfeldsensorelementen zu berechnen, um eine zweite Zwischen-Winkelinformation basierend auf einer Kombination von Signalen von der Mehrzahl von zweiten Magnetfeldsensorelementen zu berechnen, und um einen Schätzwert eines Rotationswinkels des Multipolmagneten basierend auf der ersten und zweiten Zwischen-Winkelinformation zu berechnen. Aufgrund des rotationsmäßig asymmetrischen Aufbaus des Multipolmagneten und dem Bewerten von zumindest zwei senkrechten Magnetfeldkomponenten (z.B. axial oder tangential, und radial) an einer Mehrzahl von äquidistanten Winkelpositionen können zweideutige Winkelmessungen aufgelöst werden, um ein eindeutiges Ergebnis zu erhalten (Nonius-Prinzip).
Im Kontext der vorliegenden Offenbarung kann die Rotationssymmetrie derart verstanden werden, dass die auch eine Rotationssymmetrie von ausschließlich finitem Grad oder Ordnung umfasst. Anders ausgedrückt kann eine Anordnung derart verstanden werden, dass sie rotationsmäßig asymmetrisch im Hinblick auf die Rotationsachse ist, wenn sie keine Rotationssymmetrie von infinitem Grad oder Ordnung aufweist. Als solches kann auch eine elliptische oder polygonale Form des Multipolmagneten zum Beispiel als rotationsmäßig asymmetrisch im Kontext der vorliegenden Offenbarung verstanden werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Magnetwinkelsensoranordnung auch eine Halterung aufweisen, die den Multipolmagneten trägt. Die Halterung kann jegliches angemessene Mittel zum drehbaren fixieren des Multipolmagneten an einem drehbaren Körper wie beispielsweise einer Welle sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Halterung als eine Stütz- oder Trägerscheibe implementiert sein, zum Beispiel. Die Halterung kann rotationssymmetrisch im Hinblick auf die Rotationsachse sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Rotationsachse mit der Achse einer drehbaren Welle oder eines anderen drehbaren Objekts zusammenfallen, dessen Rotationswinkel durch die Magnetwinkelsensoranordnung bestimmt werden soll.
Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst jede Magnetfeldsensorschaltung ein erstes und ein zweites Magnetfeldsensorelement. Somit kann das erste Magnetfeldsensorelement einer Magnetfeldsensorschaltung im Wesentlichen mit dem zweiten Magnetfeldsensorelement der Magnetfeldsensorschaltung angeordnet sein. Das erste und das zweite Magnetfeldsensorelement können in einem gemeinsamen Sensorgehäuse angeordnet sein. Das erste und das zweite Magnetfeldsensorelement können in unterschiedlichen Halbleiterchips implementiert sein oder sie können auch auf dem gleichen Halbleiterchip implementiert sein. Das erste und/oder das zweite Magnetfeldsensorelement können als Hall-Sensoren (z.B. Hall-Platten, vertikale Hall-Sensoren) oder als magnetoresistive Sensoren implementiert sein. Abhängig von der Magnetfeldkomponente für die sie empfindlich sein sollen, müssen sie entsprechend positioniert werden. Wenn die Magnetfeldkomponente, für die sie empfindlich sein sollen, senkrecht zu der Erfassungsoberfläche ist, kann zum Beispiel eine Hall-Platte verwendet werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Verarbeitungsschaltungsanordnung in der Nähe der Magnetfeldsensorschaltungen angeordnet sein. Zum Beispiel könnte sie auf demselben Chip implementiert sein wie eine der Magnetfeldsensorschaltungen. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Verarbeitungsschaltungsanordnung getrennt und entfernt von den Magnetfeldsensorschaltungen angeordnet sein. Eine Signalschnittstelle zwischen den Magnetfeldsensorschaltungen und der Verarbeitungsschaltungsanordnung kann verdrahtet oder drahtlos sein, abhängig von der spezifischen Anwendung und/oder Installation. Die Verarbeitungsschaltungsanordnung kann unter Verwendung eines digitalen Signalprozessors (DSP; Digital Signal Processor), eines FPGA (Field Programmable Gate Array) oder einer anwendungsspezifischen, integrierten Schaltung (ASIC; Application Specific Integrated Circuit) implementiert sein, zum Beispiel.
Bei einigen Ausführungsbeispielen, ist eine geometrische Anordnung des Multipolmagneten auf der Halterung ist rotationsmäßig asymmetrisch im Hinblick auf die Rotationsachse. Diese rotationsmäßig asymmetrische Anordnung des Multipolmagneten im Hinblick auf die Rotationsachse kann ferner eindeutige Winkelmessungen verbessern.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Multipolmagnet selbst rotationsmäßig asymmetrisch im Hinblick auf die Rotationsachse sein (z.B. in dem Fall einer elliptischen Form). Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Multipolmagnet selbst rotationssymmetrisch sein aber auf der Halterung auf rotationsmäßig asymmetrische Weise installiert sein. In letzterem Fall kann das Symmetriezentrum oder der Schwerpunkt des Multipolmagneten radial von der Rotationsachse versetzt sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Schwerpunkt des Multipolmagneten von der Rotationsachse mit einer radialen Verschiebung im Bereich zwischen 1 mm und 5 mm verschoben sein. Dieser Bereich kann zu guten Messergebnissen führen, während gleichzeitig Unwuchten eingeschränkt werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Multipolmagnet eine ringförmige Form haben und auf der Halterung exzentrisch zu der Rotationsachse platziert sein. In dem vorliegenden Kontext soll „ringförmig“ auch nicht perfekte ringförmige aber ringform-artige Formen umfassen. Magnetische Multipol-Ringe von (im Wesentlichen) ringförmiger Form können effizient hergestellt werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen, variiert eine relative radiale Position zwischen jeglicher der Magnetfeldsensorschaltungen und einem Umfang des Multipolmagneten während einer Umdrehung des Multipolmagneten um die Rotationsachse. Während bei einigen Ausführungsbeispielen diese relative radiale Variation über die rotationsmäßig asymmetrische Anordnung des Multipolmagneten erhalten werden kann, sind andere Implementierungen denkbar, wo die relative radiale Variation durch Variieren der radialen Positionen der Magnetfeldsensorschaltungen und/oder durch Variieren der Position des Multipolmagneten auf andere Weise erhalten werden kann. In solchen Fällen könnte die geometrische Anordnung des Multipolmagneten (auf der Halterung) auch rotationssymmetrisch im Hinblick auf die Rotationsachse sein. Die relative radiale Variation zwischen den Sensoren und dem Multipolmagneten kann zu variierenden radialen Magnetfeldkomponenten führen, die ihrerseits wiederum die eindeutigen Winkelmessungen verbessern können.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann sich aufgrund der relativen radialen Variation eine erste radiale Distanz zwischen einem (inneren oder äußeren) Umfang des Multipolmagneten und einer der Magnetfeldsensorschaltungen an einer ersten Winkelposition des Multipolmagneten von einer zweiten radialen Distanz zwischen dem Umfang des Multipolmagneten und derselben Magnetfeldsensorschaltung an einer zweiten Winkelposition des Multipolmagneten unterscheiden. Genauer gesagt kann eine radiale Position des inneren Umfangs des Multipolmagneten im Wesentlichen mit einer radialen Position einer gegebenen Magnetfeldsensorschaltung an einer ersten Winkelposition des Multipolmagneten zusammenfallen. Ebenso kann eine radiale Position des äußeren Umfangs des Multipolmagneten im Wesentlichen mit der radialen Position derselben Magnetfeldsensorschaltung an einer zweiten Winkelposition des Multipolmagneten zusammenfallen. Bei einigen Ausführungsbeispielen sind die Form des Magneten und die radiale Position der Magnetfeldsensorschaltungen derart, dass für alle Rotationspositionen des Magneten alle Magnetfeldsensorschaltungen zwischen dem inneren Umfang und dem äußeren Umfang des Magneten in der Sicht von oben (oder Draufsicht) angeordnet sind. Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist an einer Rotationsposition phi₁ eine spezifische Magnetfeldsensorschaltung am Nächsten zu dem inneren Umfang des Magneten und an der gegenüberliegenden Rotationsposition phi₁+180° ist diese spezifische Magnetfeldsensorschaltung am Nächsten zu dem äußeren Umfang des Magneten. Bei weiteren Ausführungsbeispielen variiert für alle Zwischen-Rotationspositionen die Beabstandung zwischen dieser spezifischen Magnetfeldsensorschaltung und einem des inneren und äußeren Umfangs des Magneten monoton versus der Rotationsposition. Bei weiteren Ausführungsbeispielen gilt dies für alle Magnetfeldsensorschaltungen, wodurch die Rotationsposition phi₁ für jede Magnetfeldsensorschaltung unterschiedlich ist. Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist die minimale radiale Distanz zwischen dem inneren Umfang des Magneten und jeder Magnetfeldsensorschaltung die Summe aller lateralen Anordnungstoleranzen von Magnet und Sensorschaltung, so dass unter schlechtesten Bedingungen von maximalen radialen Platzierungsfehlern die Magnetfeldsensorschaltung immer noch garantiert innerhalb des äußeren Umfangs des Magneten und außerhalb des inneren Umfangs des Magneten ist. Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, wird erkennen, dass der Ausdruck „zusammenfallen“ vernünftig interpretiert werden sollte und auch kleine radiale Fehlausrichtungen umfassen kann, zum Beispiel aufgrund von Herstellungstoleranzen. Eine perfekte radiale Koinzidenz ist nicht erforderlich.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die vordefinierte axiale Distanz zwischen den Magnetfeldsensorschaltungen und dem Multipolmagneten in einem Bereich von 1mm bis 3 mm. Solche axiale Distanzen können zu guten Magnetfeldstärken an den Magnetfeldsensorschaltungen führen und somit zu guten Messergebnissen. Gleichzeitig erlauben sie mechanische Toleranzen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst der Multipolmagnet p ≥ 2 Polpaare (d.h. die Anzahl von Polen ist ≥ 4) mit gleichem Aperturwinkel α im Hinblick auf die Rotationsachse. Anders ausgedrückt kann das magnetische Symmetriezentrum des Multipolmagneten konzentrisch im Hinblick auf die Rotationsachse angeordnet sein. Im Falle eines magnetischen Multipolrings, der auf der Halterung exzentrisch zu der Rotationsachse platziert ist, bedeutet dies, dass das magnetische Symmetriezentrum des magnetischen Multipolrings mit der Rotationsachse zusammenfällt.
Bei einigen Ausführungsbeispielen können N ≥ 3 Magnetfeldsensorschaltungen um die Rotationsachse mit einer Winkelbeabstandung von 360°/N zwischen benachbarten Magnetfeldsensorschaltungen platziert sein. Bei einem Basisaufbau mit N = 3 Magnetfeldsensorschaltungen führt dies zu einer Winkelbeabstandung von 120° zwischen benachbarten Magnetfeldsensorschaltungen. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die radiale Distanz aller Magnetfeldsensorschaltungen zu der Rotationsachse identisch.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Multipolmagnet p ≥ 2 Polpaare aufweisen mit p mod N ≠ 0. Bei solchen Aufbauarten können die Magnetfeldsensorschaltungen um die Rotationsachse mit einer Winkelbeabstandung von 360°/N/p zwischen benachbarten Magnetfeldsensorschaltungen platziert sein. Dies kann zu genaueren Ergebnissen führen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfassen die Magnetfeldsensorschaltungen N = 3 Magnetfeldsensorschaltungen, die um die Rotationsachse in Winkelpositionen von 0°, 120° und 240° platziert sind. Die Verarbeitungsschaltungsanordnung ist ausgebildet, um die erste Zwischen-Winkelinformation, phi', basierend auf phi' = arctan(Co, Si) zu berechnen. Dadurch bezeichnet der Arctangens die inverse Tangensfunktion tan(Co, Si) = Si/Co. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist Co = B_z,0° - (B_z,120° +B_z,240°)/2 und Si = sqrt(3)*(B_z,120° - B_z,240°)/2. B_z,0° bezeichnet eine axiale Magnetfeldkomponente, gemessen bei 0°, B_z,120° bezeichnet eine axiale Magnetfeldkomponente, gemessen bei 120°, und B_z,240° bezeichnet eine axiale Magnetfeldkomponente, gemessen bei 240°. Anstelle von axialen Magnetfeldkomponenten könnten auch tangentiale Magnetfeldkomponenten verwendet werden. Die Verarbeitungsschaltungsanordnung kann ferner ausgebildet sein, um die zweiten Zwischen-Winkelinformationen phi" zu berechnen, basierend auf phi" = arctan(Co', Si'), wobei Co' = B_r,0° - (B_r,120° +B_r,240°)/2 und Si' = sqrt(3)*(B_r,120° - B_r,240°)/2. B_r,0° bezeichnet eine radiale Magnetfeldkomponente, gemessen bei 0°, B_r,120° bezeichnet eine radiale Magnetfeldkomponente, gemessen bei 120°, und B_r,240° bezeichnet eine radiale Magnetfeldkomponente, gemessen bei 240°.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Magnetwinkelsensoranordnung bereitgestellt, umfassend eine Halterung, die um eine Rotationsachse drehbar ist. Ein Multipolmagnet ist an der Halterung angebracht. Eine Mehrzahl (N ≥ 2) von Magnetfeldsensorschaltungen ist auf einem Kreis um die Rotationsachse an vordefinierten Winkelpositionen in einer vordefinierten axialen Distanz von dem Multipolmagneten platziert. Jede Magnetfeldsensorschaltung umfasst ein erstes Magnetfeldsensorelement, das empfindlich für eine erste Magnetfeldkomponente ist, und ein zweites Magnetfeldsensorelement, das empfindlich für eine zweite Feldkomponente ist, die senkrecht zu der ersten Magnetfeldkomponente ist. Eine relative radiale Position zwischen jeglichen der Magnetfeldsensorschaltungen und einem Umfang des Multipolmagneten variiert während einer Umdrehung der Halterung und/oder des Multipolmagneten um die Rotationsachse. Die Verarbeitungsschaltungsanordnung ist ausgebildet, um eine ersten Zwischen-Winkelinformation basierend auf einer Kombination von Signalen von der Mehrzahl von ersten Magnetfeldsensorelementen zu berechnen, um eine zweite Zwischen-Winkelinformation basierend auf einer Kombination von Signalen von der Mehrzahl von zweiten Magnetfeldsensorelementen zu berechnen, und um einen Schätzwert eines Rotationswinkels der Halterung und/oder des Multipolmagneten basierend auf der ersten und zweiten Zwischen-Winkelinformation zu berechnen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Variation der relativen radialen Position zwischen jeglichen der Magnetfeldsensorschaltungen und dem Umfang des Multipolmagneten durch einen geometrischen Aufbau des Multipolmagneten erhalten werden, der rotationsmäßig asymmetrisch im Hinblick auf die Rotationsachse ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein geschlossener Multipolmagnet bereitgestellt, mit einem magnetischen Symmetriezentrum, das versetzt oder verschoben von dem Schwerpunkt des Multipolmagneten ist.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der geschlossene Multipolmagnet die Form eines Rings/Kreises in einer Drauf-Sicht (von oben) haben. Im Kontext der vorliegenden Offenbarung kann eine Ring- oder Kreis-Form als Form einer geschlossenen Schleife verstanden werden, die ein Loch umgibt, und bedeutet nicht notwendigerweise eine kreisförmige Form oder Umfang. Ferner muss der Multipolmagnet nicht notwendigerweise planar sein sondern könnte auch die Form einer sphärischen Abdeckung aufweisen.
Der Multipolmagnet kann die Form eines Rings/Kreises in einer Drauf-Sicht (von oben) haben und kann einen magnetischen Symmetriepunkt in der Draufsicht haben, von dem alle magnetischen Nord- und Südpole unter demselben Aperturwinkel α erscheinen, wobei in der Draufsicht der Schwerpunkt aller magnetisierten Abschnitte des Multipolmagneten nicht mit dem Symmetriepunkt zusammenfällt.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der geschlossene Multipolmagnet auf einem Stützträger platziert sein, der um eine Rotationsachse drehbar ist. Eine geometrische Anordnung des Multipolmagneten auf dem Stützträger ist rotationsmäßig asymmetrisch im Hinblick auf die Rotationsachse. Aufgrund der Rotations-Asymmetrie können unterschiedliche erste und zweite Zwischen-Winkelinformationen erhalten werden. Basierend auf den unterschiedlichen ersten und zweiten Zwischen-Winkelinformationen können gute Schätzwerte des Rotationswinkels des Multipolmagneten bestimmt werden, der auf einem Stützträger platziert ist.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist ein Schwerpunkt des Multipolmagneten auf dem Stützträger radial von der Rotationsachse versetzt, was zu der Rotations-Asymmetrie führt. Ein solcher Aufbau kann effizient hergestellt und installiert werden. Alternativ kann der Magnet rotationssymmetrisch sein, aber nicht sein ganzes Volumen ist magnetisiert: dann wird nur ein rotationsmäßig asymmetrischer Teil desselben in einem Multipolmuster magnetisiert, während der Rest nicht magnetisiert wird. Dies kann vorteilhaft sein, da es eine exzentrische mechanische Last vermeidet, da der Schwerpunkt des Magneten auf der Rotationsachse ist, obwohl der Schwerpunkt des magnetisierten Volumens des Magneten außerhalb der Rotationsachse ist.
Bei einigen Ausführungsbeispielen hat der Multipolmagnet eine ringförmige Form und ist auf dem Stützträger exzentrisch zu der Rotationsachse des Stützträgers platziert. Ein solcher Aufbau kann effizient hergestellt und installiert werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen sind die Schwerpunkte des Magneten und des Stützträgers möglicherweise beide von der Rotationsachse in entgegengesetzten Richtungen von der Rotationsachse verschoben, bei einem Versuch, die Zentrifugalkräfte von beiden Teilen auf der Welle auszugleichen, insbesondere wenn sie bei hohen Geschwindigkeiten gedreht wird.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst der Multipolmagnet p ≥ 2 Polpaare mit jeweils gleichem Aperturwinkel im Hinblick auf die Rotationsachse. Anders ausgedrückt ist das magnetische Symmetriezentrum des Multipolmagneten konzentrisch im Hinblick auf die Rotationsachse angeordnet. Im Falle eines magnetischen Multipolrings, der auf dem Stützträger exzentrisch zu der Rotationsachse platziert ist, bedeutet dies, dass das magnetische Symmetriezentrum des magnetischen Multipolrings mit der Rotationsachse des Stützträgers zusammenfällt.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Schätzen eines Rotationswinkels bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Durchführen von Magnetfeldmessungen mit einer Mehrzahl von Magnetfeldsensorschaltungen, die um eine Rotationsachse an vordefinierten, äquidistanten Winkelpositionen und in einer vordefinierten axialen Distanz von einen drehbaren Multipolmagneten platziert sind. Jede der Mehrzahl von Magnetfeldsensorschaltungen umfasst ein erstes Magnetfeldsensorelement, das empfindlich für eine erste (z.B. axiale oder tangentiale) Magnetfeldkomponente ist, und ein zweites Magnetfeldsensorelement, das empfindlich für eine zweite (z.B. radiale) Magnetfeldkomponente ist, die senkrecht zu der ersten Magnetfeldkomponente ist. Das Verfahren umfasst ein Variieren einer relativen radialen Position zwischen jeglichem einen von zumindest den zweiten Magnetfeldsensorelementen und einem Umfang des Multipolmagneten während einer Umdrehung des Multipolmagneten um die Rotationsachse. Eine erste Zwischen-Winkelinformation wird basierend auf einer Kombination von Signalen von der Mehrzahl von ersten Magnetfeldsensorelementen berechnet. Eine zweite Zwischen-Winkelinformation wird basierend auf einer Kombination von Signalen von der Mehrzahl von zweiten Magnetfeldsensorelementen berechnet. Der Rotationswinkel wird basierend auf der ersten und zweiten Zwischen-Winkelinformation geschätzt. Die relative radiale Variation kann zu variierenden radialen Magnetfeldkomponenten führen. Diese zusätzlichen radialen Informationen können einen eindeutigen Schätzwert des Rotationswinkels weiter verbessern.
Die Mehrzahl von ersten Magnetfeldsensorelementen kann um die Rotationsachse auf einem entsprechenden ersten Lesekreis platziert sein. Die Mehrzahl von zweiten Magnetfeldsensorelementen kann um die Rotationsachse auf einem entsprechenden zweiten Lesekreis platziert sein. Die Radien des ersten und zweiten Lesekreises können identisch sein oder können sich auch voneinander unterscheiden. Auf ähnliche Weise können die jeweiligen vordefinierten axialen Distanzen zwischen dem ersten und zweiten Lesekreis und dem Multipolmagneten identisch sein oder können sich auch voneinander unterscheiden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Variieren der relativen radialen Position ein Drehen des Multipolmagneten um eine Rotationsachse auf rotationsmäßig asymmetrische Weise umfassen (d.h. der Multipolmagnet weist eine magnetische Symmetrie von Null oder finiter Ordnung auf). Anders ausgedrückt kann ein Variieren der relativen radialen Position das Bereitstellen eines geometrischen Aufbaus des Multipolmagneten umfassen, der rotationsmäßig asymmetrisch im Hinblick auf die Rotationsachse ist.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Variieren einer relativen radialen Position das Platzieren des magnetischen Multipolmagneten auf einem Träger umfassen, der sich um eine Rotationsachse dreht, wobei eine geometrische Anordnung des magnetischen Multipolmagneten auf dem Träger rotationsmäßig asymmetrisch im Hinblick auf die Rotationsachse ist. Wie vorangehend erklärt wurde, kann diese Rotations-Asymmetrie auf unterschiedliche mögliche Weisen erhalten werden.
Wie nachfolgend detaillierter erklärt wird, können verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung genaue Rotationswinkel-Schätzwerte im Bereich von 0° bis 360° und mehr ergeben.
Figurenliste
Nachfolgend werden einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren ausschließlich beispielhaft und Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen

1 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Magnetwinkelsensoranordnung zeigt;
2 eine Seitenansicht der Magnetwinkelsensoranordnung aus 1 zeigt;
3 eine Draufsicht der Magnetwinkelsensoranordnung aus 1 zeigt;
4 ein grundlegendes Flussdiagramm eines Verfahrens zum Schätzen eines Rotationswinkels zeigt;
5A einen Verlauf einer axialen Magnetfeldkomponente B_z zeigt, verursacht durch einen Multipolmagneten;
5B zwei Zwischensignale zeigt, die basierend auf Messungen der axialen Magnetfeldkomponenten an unterschiedlichen Winkelpositionen berechnet werden;
5C eine Skizze einer ersten Zwischen-Winkelinformation phi' zeigt;
6A einen Verlauf einer radialen Magnetfeldkomponente B_r zeigt, verursacht durch den Multipolmagneten;
6B zwei Zwischensignale zeigt, die basierend auf Messungen der radialen Magnetfeldkomponenten an unterschiedlichen Winkelpositionen berechnet werden;
6C eine Skizze einer zweiten Zwischen-Winkelinformation phi" zeigt;
7 eine Skizze eines Schätzwerts eines Rotationswinkels basierend auf der ersten und zweiten Zwischen-Winkelinformation phi' und phi" zeigt;
8A, B unterschiedliche Ausführungsbeispiele eines Multipolmagneten zeigen; und
9 ein Konzept eines Magnetisierungszentrums eines Multipolmagneten darstellt, das lateral verschoben von dem Schwerpunkt des Multipolmagneten ist.

Detaillierte Beschreibung
Verschiedene Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Beispiele dargestellt sind. In den Figuren können die Stärken von Linien, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung übertrieben sein.
Während sich weitere Beispiele für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignen, sind dementsprechend einige bestimmte Beispiele derselben in den Figuren gezeigt und werden nachfolgend ausführlich beschrieben. Allerdings beschränkt diese detaillierte Beschreibung weitere Beispiele nicht auf die beschriebenen bestimmten Formen. Weitere Beispiele können alle Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abdecken, die in den Rahmen der Offenbarung fallen. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich in der gesamten Beschreibung der Figuren auf gleiche oder ähnliche Elemente, die bei einem Vergleich miteinander identisch oder in modifizierter Form implementiert sein können, während sie die gleiche oder eine ähnliche Funktion bereitstellen.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, die Elemente direkt, oder über ein oder mehrere Zwischenelemente, verbunden oder gekoppelt sein können. Wenn zwei Elemente A und B unter Verwendung eines „oder“ kombiniert werden, ist dies so zu verstehen, dass alle möglichen Kombinationen offenbart sind, d. h. nur A, nur B sowie A und B. Eine alternative Formulierung für die gleichen Kombinationen ist „zumindest eines von A und B“. Das Gleiche gilt für Kombinationen von mehr als 2 Elementen.
Die Terminologie, die hier zum Beschreiben bestimmter Beispiele verwendet wird, soll nicht begrenzend für weitere Beispiele sein. Wenn eine Singularform, z. B. „ein, eine“ und „der, die, das“ verwendet wird und die Verwendung nur eines einzelnen Elements weder explizit noch implizit als verpflichtend definiert ist, können weitere Beispiele auch Pluralelemente verwenden, um die gleiche Funktion zu implementieren. Wenn eine Funktion nachfolgend als unter Verwendung mehrerer Elemente implementiert beschrieben ist, können weitere Beispiele die gleiche Funktion unter Verwendung eines einzelnen Elements oder einer einzelnen Verarbeitungsentität implementieren. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „aufweist“ und/oder „aufweisend“ bei Gebrauch das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente und/oder Komponenten derselben präzisieren, aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/oder einer Gruppe derselben ausschließen.
Sofern nicht anderweitig definiert, werden alle Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) hier in ihrer üblichen Bedeutung des Gebiets verwendet, zu dem Beispiele gehören.
1 bis 3 zeigen unterschiedliche Ansichten einer Magnetwinkelsensoranordnung 100 gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel. 1 ist eine perspektivische Ansicht, 2 eine Seitenansicht und 3 ist eine Draufsicht des beispielhaften Ausführungsbeispiels.
Bei dem dargestellten Beispiel ist die Magnetwinkelsensoranordnung 100 um eine drehbare Welle 110 angeordnet. Die Welle 110 erstreckt sich in z-Richtung, die auch als axiale Richtung durchgehend in dieser Beschreibung bezeichnet wird. Die Achse der Welle in z-Richtung kann als Rotationsachse 115 betrachtet werden. Bei einigen Anwendungen (z.B. Lenkrad, Lenksäule, etc.) könnte es wünschenswert sein, einen Rotationswinkel der Welle innerhalb eines Bereichs von 0° bis 360° oder sogar mehr zu bestimmen.
Die Magnetwinkelsensoranordnung 100 umfasst eine Halterung 120, die um die Rotationsachse 115 drehbar ist. Bei dem dargestellten Beispiel ist die Halterung 120 eine Stützscheibe, die an die Welle 110 auf Drehmoment-feste Weise derart angebracht ist, dass die Welle 110 und die Halterung sich gemeinsam drehen. Die Welle 110 erstreckt sich senkrecht zu der Stützscheibe 120, die bei dem dargestellten Beispiel die x-y-Ebene aufspannt.
Ein Multipolmagnet 130 ist auf der Halterung 120 platziert. Bei dem dargestellten Beispiel ist der Multipolmagnet 130 von ringförmiger Form mit sich in Umfangsrichtung abwechselnden magnetischen Nord- (N-) und Süd- (S-) Polen. Wie aus 1 und 3 ersichtlich, ist eine geometrische Anordnung des Multipolmagneten 130 auf der Halterung 120 rotationsmäßig asymmetrisch im Hinblick auf die Rotationsachse 115. Während die Rotations-Asymmetrie auf verschiedene Weisen implementiert sein kann, ist ein Symmetriezentrum oder Schwerpunkt 135 des Multipolmagneten 130 bei dem dargestellten Beispiel radial von der Rotationsachse 115 versetzt. Anders ausgedrückt ist der beispielhafte magnetische Multipolmagnet 130 von ringförmiger Form auf der Stützscheibe 120 exzentrisch zu der Rotationsachse 115 platziert. Die exakte radiale Verschiebung zwischen Schwerpunkt 135 des Multipolmagneten 130 und der Rotationsachse 115 hängt von der Größe der gesamten Anordnung ab. Für typische Automobilanwendungen jedoch kann der Schwerpunkt 135 des magnetischen Multipolmagneten 130 von der Rotationsachse 115 um eine radiale Verschiebung e in dem Bereich zwischen 1 mm und 5 mm verschoben sein. Die Person, die einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, wird erkennen, dass andere Formen einer Rotations-Asymmetrie implementiert werden können, zum Beispiel durch eine elliptische Form des Multipolmagneten 130. Zusätzlich oder alternativ könnte der magnetische Multipolmagnet 130 eine radiale Breite w aufweisen, die in Umfangsrichtung variiert.
Bei dem dargestellten Beispiel umfasst die Magnetwinkelsensoranordnung 100 drei Magnetfeldsensorschaltungen 140-1, 140-2, und 140-3, die auf einem (virtuellen) Kreis um die Rotationsachse 115 an vordefinierten Winkelpositionen in einer vordefinierten axialen Distanz AG a von dem Multipolmagneten 130 platziert sind. Die Person, die einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, wird erkennen, dass auch mehr als drei Magnetfeldsensorschaltungen 140 möglich sind, um die Messgenauigkeit zu erhöhen. Die Magnetfeldsensorschaltungen 140-1, 140-2, und 140-3 sind um die Rotationsachse 115 in gleicher radialer Distanz auf einem sogenannten Lesekreis platziert. Wie offensichtlich wird, besteht eine gewisse Wechselbeziehung zwischen dem Radius des Lesekreises und der Exzentrizität des Multipolmagneten 130. Die axiale Distanz AG zwischen den Magnetfeldsensorschaltungen 140-1, 140-2 und 140-3 und dem Multipolmagneten 130 hängt von der Größe der gesamten Anordnung ab. Für typische Automobilanwendungen jedoch kann die axiale Distanz in einem Bereich von 1 mm bis 3 mm sein.
Jede der Magnetfeldsensorschaltungen 140-1, 140-2 und 140-3 umfasst ein erstes Magnetfeldsensorelement (nicht explizit gezeigt), das empfindlich für eine axiale oder tangentiale Magnetfeldkomponente ist, und ein zweites Magnetfeldsensorelement (nicht explizit gezeigt), das empfindlich für eine radiale Magnetfeldkomponente ist. Somit kann das jeweilige erste Magnetfeldsensorelement von jeder der Magnetfeldsensorschaltungen 140-1, 140-2 und 140-3 eine erste (z.B. axiale oder eine tangentiale) Magnetfeldkomponente messen. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf jeweilige erste Magnetfeldsensorelemente, die axiale (z-Richtung) Magnetfeldkomponenten B_z messen können. Das jeweilige zweite Magnetfeldsensorelement von jeder der Magnetfeldsensorschaltungen 140-1, 140-2 und 140-3 kann zweite (z.B. radiale) Magnetfeldkomponenten B_R senkrecht zu den ersten Magnetfeldkomponenten messen. Das jeweilige erste und zweite Magnetfeldsensorelement der Magnetfeldsensorschaltungen 140-1, 140-2 und 140-3 kann in denselben jeweiligen Sensorgehäusen gehäust sein. Somit kann der Einfachheit halber angenommen werden, dass das jeweilige erste und zweite Magnetfeldsensorelement der Magnetfeldsensorschaltungen 140-1, 140-2 und 140-3 im Wesentlichen gemeinsam angeordnet sind (z.B. innerhalb weniger mm). Bei anderen Ausführungsbeispielen sind das erste und zweite Magnetfeldsensorelement in unterschiedlichen Gehäusen gehäust und sind in unterschiedlichen Winkelpositionen angeordnet: z.B. können die ersten Magnetfeldsensorelemente bei 0°, 120°, 240° angeordnet sein und die zweiten Magnetfeldsensorelemente können bei 60°, 180°, 300°, oder bei 30°, 150°, 270° angeordnet sein. Es ist auch erlaubt, die ersten Magnetfeldsensorelemente auf einem ersten Lesekreis mit einem ersten Leseradius zu platzieren und die zweiten Magnetfeldsensorelemente auf einem zweiten Lesekreis mit einem zweiten Leseradius zu platzieren, der sich von dem ersten Leseradius unterscheidet. Es ist auch möglich, die ersten Magnetfeldsensorelemente in einer ersten axialen Distanz AG1 zu dem Magneten zu platzieren und die zweiten Magnetfeldsensorelemente in einer zweiten axialen Distanz AG2 zu dem Magneten zu platzieren, wobei sich AG1 von AG2 unterscheiden kann. In den meisten Fällen wird es bevorzugt, die ersten und zweiten Magnetfeldsensorelemente nahe zueinander zu platzieren, so dass sie in demselben Sensorgehäuse und vorzugsweise sogar auf dem gleichen Halbleiterchip gehäust werden können, da dies Herstellungskosten, Materialaufwand und Raumverbrauch spart und die Übereinstimmung und die Genauigkeit der relativen Positionsplatzierung zwischen ersten und zweiten Magnetfeldsensorelementen verbessert und die Prozessstreubreite von Sensorelementen reduziert.
Bezug nehmend auf 1 umfasst die Magnetwinkelsensoranordnung 100 ferner eine Verarbeitungsschaltungsanordnung 150, die ausgebildet ist, um eine erste Zwischen-Winkelinformation basierend auf einer Kombination von Signalen von den drei oder mehr ersten Magnetfeldsensorelementen zu bestimmen oder zu berechnen, um eine zweite Zwischen-Winkelinformation basierend auf einer Kombination von Signalen von den drei oder mehr zweiten Magnetfeldsensorelementen zu berechnen, und um einen Schätzwert eines Rotationswinkels der Halterung 120 und/oder des Multipolmagneten 130 basierend auf der ersten und zweiten Zwischen-Winkelinformation zu berechnen.
Ein Beispielprozess 400 zum Schätzen eines Rotationswinkels wird durch das Flussdiagramm zusammengefasst, das in 4 präsentiert ist.
Der Prozess 400 umfasst das Durchführen von Magnetfeldmessungen 410 über eine Mehrzahl von Magnetfeldsensorschaltungen 140-1, 140-2, 140-3, die auf einem Kreis um eine Rotationsachse 115 an vordefinierten Winkelpositionen in einer vordefinierten axialen Distanz von einem drehbaren magnetischen Multipolmagneten 130 platziert sind. Jede der Mehrzahl von Magnetfeldsensorschaltungen 140-1, 140-2, 140-3 umfasst ein erstes Magnetfeldsensorelement, das empfindlich für eine erste (z.B. axiale oder tangentiale) Magnetfeldkomponente ist, und ein zweites Magnetfeldsensorelement, das empfindlich für eine zweite (z.B. radiale) Magnetfeldkomponente ist. Der Prozess 400 umfasst ferner das Variieren einer relativen radialen Position zwischen jeglicher einen der Magnetfeldsensorschaltungen 140-1, 140-2, 140-3 und einem Umfang des Multipolmagneten 130 während einer Umdrehung des Multipolmagneten 130 um die Rotationsachse 115. Der Prozess 400 umfasst das Berechnen 420 einer ersten Zwischen-Winkelinformation basierend auf einer Kombination von Messsignalen von der Mehrzahl von ersten Magnetfeldsensorelementen, das Berechnen 430 einer zweiten Zwischen-Winkelinformation basierend auf einer Kombination von Messsignalen von der Mehrzahl von zweiten Magnetfeldsensorelementen und das Schätzen 440 des Rotationswinkels basierend auf der ersten und zweiten Zwischen-Winkelinformation. Die jeweiligen Messsignale können zumindest einer 360° Umdrehung des Multipolmagneten 130 um die Rotationsachse 115 entsprechen.
Optional kann das Variieren 420 der relativen radialen Position das Platzieren des Multipolmagneten 130 auf einem Stützträger 120 umfassen, der sich um die Rotationsachse 115 dreht, wobei eine geometrische Anordnung des Multipolmagneten auf dem Stützträger rotationsmäßig asymmetrisch im Hinblick auf die Rotationsachse ist. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Stützträger 120 rotationssymmetrisch sein und konzentrisch zu der Rotationsachse angeordnet sein, wobei das Variieren 420 der relativen radialen Position das Platzieren eines Multipolmagneten 130 einer ringförmigen Form auf dem Stützträger 120 exzentrisch zu der Rotationsachse 115 umfassen kann.
Die Berechnung der ersten Zwischen-Winkelinformation, der zweiten Zwischen-Winkelinformation und des Schätzwerts des Rotationswinkels wird nachfolgend ausführlicher beschrieben.
Der Multipolmagnet 130 kann ein Multipol-Permanentmagnet sein, der exzentrisch an der Welle 110 über die Halterung 120 in Form einer Magnetstützplatte befestigt ist. Der Schwerpunkt des magnetisierten Materials muss nicht auf der Rotationsachse 115 sein, sondern kann davon um eine Distanz e in einer radialen Richtung verschoben sein.
N Magnetfeldsensorschaltungen 140-1, ...,140-N (N ≥ 2) sind auf einem Lesekreis platziert, der konzentrisch mit der Rotationsachse 115 und axial etwas gegen die Oberfläche des Multipolmagneten 130 verschoben ist. Diese kleine axiale Beabstandung AG wird auch als Luftzwischenraum bezeichnet. Sie sollte so klein wie möglich sein aber groß genug, um eine Kollision der sich drehenden Teile mit den stationären Sensoren 140 zu verhindern. Üblicherweise AG = 1...3mm.
Die N Magnetfeldsensorschaltungen sind auf dem Lesekreis vorzugsweise mit einer regelmäßigen Winkelbeabstandung von 360°/N platziert. Zum Beispiel können sie für N = 3 Sensoren bei 0°, 120°, 240° platziert sein (wo die 0° Position beliebig ist), und für N=4 Sensoren können sie bei ganzzahligen Mehrfachen von 90° platziert sein, und für N=5 Sensoren können sie bei ganzzahligen Mehrfachen von 72° platziert sein, und so weiter. Für N=2 Sensoren können sie bei 0° und 90° sein, zum Beispiel.
Wenn der Multipolmagnet 130 p gleiche magnetische Polpaare hat, können die Sensoren 140 sogar noch näher platziert sein, z.B. bei 360°/N/p. Beispiel: für N=3 und 11 Polpaare können die Sensoren bei 0°, 10.91° und 21,82° platziert sein. Und für N=2 und 11 Polpaare können die Sensoren bei 0° und 8,18° platziert sein.
Für N äquidistante Winkelpositionen ist die Winkelbeabstandung zwischen zwei benachbarten Magnetfeldsensorschaltungen 140-n (n = 1, ..., N) 360°/N. Für p gleiche Polpaare variiert das Magnetfeld wie sin(p*psi) und daher detektiert die eine Magnetfeldsensorschaltung 140-n an Position psi ein Magnetfeld proportional zu sin(p*psi) und ihre benachbarte Magnetfeldsensorschaltung detektiert ein Feld proportional zu sin(p*psi + p*360°/N). Um den Rotationswinkel aus diesen zwei Sensorsignalen zu rekonstruieren, ist es vorteilhaft, wenn p*360°/N kein ganzzahliges Mehrfaches von 180° ist. Somit sollte p kein ganzzahliges Mehrfaches sein von N/2. Zum Beispiel, für N=3, sollte p nicht 3, 6, 9, 12, 15, ... sein.. Für N=4, sollte p nicht 2, 4, 6, 8, ... sein. Für N=5, sollte p nicht 5, 10, 15, 20, ... sein. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ist p eine ganzzahlige Primzahl größer als 3 und N ist 3.
Bei dem dargestellten Beispiel weist der magnetische Multipolring 130 eine radiale Breite w und eine axiale Dicke t, einen Innenradius Ri und einen Außenradius Ro = Ri+w auf. Mit p Polpaaren gleicher Umfangslänge hat die Magnetisierung des magnetischen Multipolrings eine Winkelperiode von 360°/p. Es wird darauf hingewiesen, dass die Umfangslänge entweder im Hinblick auf die Rotationsachse oder im Hinblick auf den Schwerpunkt der Magnetmasse (=Ring) gemessen werden kann. Die Draufsicht von 3 zeigt Ersteres: die Grenzen des N- und S-Pols des magnetischen Multipolrings liegen auf geraden Linien, die durch die Mitte der Rotation verlaufen (Achse 115) und nicht durch die Mitte des magnetischen Multipolrings. Alternativ ist es auch möglich, dass die Grenzen zwischen N- und S-Polen auf geraden Linien liegen, die durch einen Punkt gehen, der auf einer geraden Linie zwischen der Mitte der Rotation und der Mitte des Magnetrings liegt (z.B. auf halbem Weg zwischen beiden).
In einem kartesischen Koordinatensystem ist ein beispielhaftes Magnetisierungsmuster gegeben durch: $Mx = Msat*x/sqrt (x^{\land} 2 + y^{\land} 2) * sin (p*atan (x,y)),$
$My = Msat* (- y) / sqrt (x^{\land} 2 + y^{\land} 2) * sin (p * atan (x, y)),$
$Mz = Msat*cos (p*atan (x, y)),$
wobei Mx, My, Mz die drei kartesischen Komponenten des Magnetisierungsvektors sind, Msat die Sättigungsmagnetisierung des Materials des Multipolmagneten 130 ist, x,y,z die Koordinaten des Testpunkts sind, p die Anzahl der Polpaare des Multipolmagneten 130 ist und atan(x,y) den Winkel zwischen einem Vektor von dem Ursprung (0,0) zu dem Endpunkt (x,y) und dem Vektor der positiven x-Richtung ist. Dies ergibt einen Magnetisierungsvektor konstanter Länge, der sich p Mal um den Radiusvektor dreht, während sich der Testpunkt eine volle Umdrehung bei konstanter Distanz zu der Rotationsachse durch das Magnetmaterial bewegt. Über dem Magneten 130 und insbesondere auf dem Lesekreis ergibt dies ein Magnetfeld, dessen axiale (z) Komponente B_z sinusförmig variiert, wie dargestellt in 5A, zum Beispiel Parameter p=11, Msat = 796 kA/m, Ri=18mm, Ro=24mm, w=6mm, t=2mm, AG=2mm. Für eine physische Umdrehung des magnetischen Multipolrings 130 können 11 Perioden aufgezeichnet werden, jeweils entsprechend 360/11 = 32,7273°. Wenn eine Quasi-Periode dieser Wellenform als die Region zwischen zwei aufeinanderfolgenden Maxima bestimmt wird, gibt es 11 Quasi-Perioden von B_z in einer Umdrehung. Anders ausgedrückt hat B_z 11 Maxima in einer Umdrehung.
Wenn man N=3 Magnetfeldsensorelemente, die empfindlich für die axiale B_z-Feldkomponente (z.B. Hall-Platten) sind, auf den Lesekreis bei 0°, 120°, 240° platziert, um dieses Feldmuster abzutasten und zwei erste Zwischensignale zu berechnen $Co = B_{z, 0 °} - (B_{z, 120 °} + B_{z, 240 °}) / 2,$
$Si = sqrt (3) * (B_{z, 120 °} - B_{z, 240 °}) / 2.$
Die zwei ersten Zwischensignale Co und Si sind in 5B skizziert (außerhalb des skizzierten Intervalls sind die Funktionen exakt periodisch).
Dann kann die Verarbeitungsschaltungsanordnung 150 ausgebildet sein, um die erste Zwischen-Winkelinformation, phi', zu berechnen gemäß phi' = arctan(Co, Si), dargestellt in 5C. Bei dem dargestellten Beispiel geht phi' 11 Mal von -180° bis +180°, während sich die Welle 110 nur ein Mal von -180° bis +180° dreht. Daher kann phi' nur die Winkelposition der Welle 110 bis zu unbekannten ganzzahligen Mehrfachen von 360°/11 ergeben.
Um eine eindeutige Rotationswinkel-Ablesung durch die gesamte 360°-Umdrehung zu erhalten, schlägt die vorliegende Offenbarung das Verwenden zusätzlicher Informationen vor, die aus der Exzentrizität und der radialen Magnetfeldkomponente erhalten werden können. Aufgrund der Exzentrizität ist der magnetische Multipolring 130 lateral gegen den Lesekreis in Draufsicht verschoben. Für die spezifische Winkelposition des magnetischen Multipolrings 130 in der beispielhaften Draufsicht von 3 ist der Lesekreis nahe dem inneren Umfang des magnetischen Multipolrings 130 auf der rechten Seite (in der Nähe des Sensors 140-1) und ist nahe dem äußeren Umfang des magnetischen Multipolrings 130 auf der linken Seite (in der Nähe des Sensors 140-3), wohingegen er oben und unten in der Nähe der Mitte des magnetischen Multipolrings 130 ist (z.B. nahe x = 0 und y = +/-(Ri+Ro)/2). Anders ausgedrückt, eine relative radiale Position zwischen jeglichen der Magnetfeldsensorschaltungen 140 und dem Multipolmagneten 130 variiert während einer Umdrehung der Halterung 120 und/oder des Multipolmagneten 130 um die Rotationsachse 115. Bei dem dargestellten Beispiel von 3 fällt die radiale Position des inneren Umfangs des Multipolmagneten 130 mit der radialen Position der Magnetfeldsensorschaltung 140-1 an einer ersten Winkelposition der Halterung 120 und/oder des Multipolmagneten 130 zusammen, und die radiale Position des äußeren Umfangs des Multipolmagneten 130 fällt mit der radialen Position derselben Magnetfeldsensorschaltung 140-1 an einer zweiten Winkelposition der Halterung 120 und/oder des Multipolmagneten 130 zusammen.
Es ist bekannt, dass die Größe der radialen Magnetfeldkomponente B_R eines Multipolmagnetrings ungefähr in der Nähe der Mitte des Rings (Ri+w/2) für alle Umfangspositionen verschwindet, wenn angenommen wird, dass w « Ri. Sie nimmt jedoch zu, wenn man sich in Richtung des äußeren Umfangs des magnetischen Multipolrings 130 bewegt. Sie nimmt auch zu, wenn man sich in Richtung des inneren Umfangs des magnetischen Multipolrings 130 bewegt. Auf beiden Umfängen variiert die radiale Magnetfeldkomponente sinusförmig, jedoch mit einer Phasenverschiebung von 180°. Dies bedeutet, dass eine positive Spitze dieser Feldkomponente in einer gewissen Umfangs- (oder Winkel-) Position in der Nähe des Außenumfangs des Rings 130 in Draufsicht vorliegt, während an derselben Umfangsposition in der Nähe des Innenumfangs des Rings 130 in Draufsicht ein negativer Spitzenwert vorliegt, und umgekehrt.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen ist die Exzentrizität e e = w*f mit f = 0,2 ... 0,6, zum Beispiel, f = 0,45. Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, wird erkennen, dass die Exzentrizität e größer sein sollte als Anordnungstoleranzen des Magneten 130 relativ zu dem Lesekreis.
Zum Beispiel sieht für Parameter p= 11, Msat = 796 kA/m, Ri= 18mm, Ro=24mm, w=6mm, t=2mm, AG=2mm, die simulierte radiale Feldkomponente abgetastet entlang des Leseradius aus, wie gezeigt in 6A. Es wird auf die Modulation hingewiesen: bei +/-90° wird ein zusätzlicher Null-Übergang erzwungen. Wenn eine Quasi-Periode dieser Wellenform als die Region zwischen zwei aufeinanderfolgenden Maxima definiert wird, gibt es 12 Quasi-Perioden der radialen Feldkomponente B_R während einer Umdrehung. Oder anders ausgedrückt hat B_R 12 Maxima in einer Umdrehung (das letzte bei 180° ist identisch zu dem ersten bei -180° und zählt somit nur als ein Maximum).
Zum Beispiel können vertikale Hall-Effektbauelemente als B_R -Feld-Sensorelemente (B_R ist die radiale Komponente des Magnetfeldes) bei den Magnetfeldsensorschaltungen 140 verwendet werden. Diese vertikalen Hall-Effekt-Bauelemente können auf demselben Chip sein wie die Hall-Platten für die Bz-Komponenten, so dass nur drei Sensorchips für ein N=3 System benötigt werden würden. Ferner kann die relative Platzierungs-Genauigkeit zwischen einer Hall-Platte und einem VHall einer Magnetfeldsensorschaltung 140 sehr gut sein, wenn sie auf demselben Chip hergestellt sind.
Wenn N=3 Sensorelemente für das B_R-Feld (z.B. VHalls) auf den Lesekreis bei 0°, 120°, 240° platziert werden, um dieses Feldmuster abzutasten und zwei zweite Zwischensignale zu berechnen $Co' = B_{r, 0 °} - (B_{r,120 °} + B_{r, 240 °}) / 2,$
$Si' = sqrt (3) * (B_{r, 120 °} - B_{r, 240 °}) / 2.$
Die zwei zweiten Zwischensignale Co' und Si' sind skizziert in 6B.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Si' und Co' Wellenformen, die aus der radialen Magnetfeldkomponente B_R hergeleitet werden, nicht exakt konstante Amplituden aufweisen, sondern über eine Umdrehung schwanken können. Auf ähnliche Weise haben in Realität auch die Si und Co Wellenformen, die aus der axialen Magnetfeldkomponente B_z hergeleitet werden, nicht exakt konstante Amplituden (die gezeigten Skizzen von Si und Co repräsentieren eine analytische Näherung, die diese Schwankung vernachlässigt). Diese Amplituden-Schwankungen auf Si, Co und Si', Co' sind ein Grund für Winkelfehler bei diesem Typ von Winkelsensorsystem. Daher ist es vorteilhaft, nach Magneten mit Geometrien und Magnetisierungsmustern zu suchen, die diese Schwankungen minimieren. Eine Möglichkeit ist es, die axiale Dicke t der Multipolmagneten 130 in Richtung ihres äußeren Umfangs zu reduzieren. Dies kann auch B_z(y) flacher machen für x=0 und z = Konstant, und Amplituden-Schwankungen von Si, Co reduzieren.
Die Verarbeitungsschaltungsanordnung 150 kann ausgebildet sein, um die zweite Zwischen-Winkelinformation phi" zu berechnen, gemäß phi" = arctan(Co', Si'), gezeichnet in 6C. Hier geht die Ausgabe phi" nur 10 Mal von -180° bis +180°, während sich die Welle 110 nur ein Mal von -180° bis +180° dreht.
Um die dargestellten Beispiel(e) zusammenzufassen, zeigen die Signale aus den B_R-Sensorelementen 12 Perioden, wohingegen die Signale aus den B_z-Sensorelementen 11 Perioden zeigen. Dies ist eine wichtige Beobachtung des vorliegenden Vorschlags. Gemäß Ausführungsbeispielen können die Sensorelemente auf einem Lesekreis platziert sein, der per Definition konzentrisch zu der Rotationsachse 115 ist. Der Radius des Lesekreises kann derart ausgewählt sein, dass die Anzahl von Maxima zwischen phi" und phi' sich unterscheidet. Genauer gesagt kann phi" p+ 1 Maxima pro Umdrehung haben, wohingegen phi' p Maxima pro Umdrehung haben kann, und der Magnet 130 kann p Polpaare haben. Es wird darauf hingewiesen, dass für einen falsch gewählten Leseradius das System möglicherweise nicht funktioniert. Zum Beispiel, wenn der Leseradius so groß ist, dass trotz der Exzentrizität die Sensorelemente immer außerhalb des Mittenradius R_center = sqrt(Ri*Ro) des Magnetrings bleiben. Oder wenn der Leseradius so klein ist, dass die Sensoren immer innerhalb des Mittenradius R_center des Magnetrings bleiben.
Wenn zwei Winkelablesungen phi' und phi" mit p und p+1 Perioden pro Umdrehung verfügbar sind, können bekannte Konzepte zum Berechnen des Rotationswinkels verwendet werden, wie beispielsweise Nonius-Prinzipien. Bei einem Beispiel kann die Verarbeitungsschaltungsanordnung 150 ausgebildet sein, um die Differenz von phi'-phi" zu berechnen, was in 7 dargestellt ist. Die Qualität der Kurve 700 ist nicht optimal, da bei diesem Beispiel die B_R-Signale weniger genaue Winkel-Schätzungen ergeben als die B_z-Signale. Jedoch braucht die Magnetwinkelsensoranordnung 100 diese Beziehung nur, um eine grobe Schätzung des Rotationswinkels zu haben. Eine feinere Schätzung kann zum Beispiel aus den B_z-Signalen erhalten werden. Hier muss berücksichtigt werden, dass die Steigung bzw. Flanke (slope) der B_z-Signale p Mal höher ist als die durchschnittliche Steigung der Kurve. Es sei angenommen, dass nahe -180° die Skizze 700 [phi'-phi"] einen Wert ergibt, der weder nahe -180° noch nahe +180° ist, jedoch ergibt die Skizze phi', die aus den B_z-Signalen erhalten wird, eine negative Ablesung für Winkel zwischen -180° und -180°+360/11/2 = - 163,6°, wohingegen sie eine positive Ablesung für Winkel zwischen 164,6° und 180° ergibt.
Wie oben erwähnt wurde, kann der Multipolmagnet 130 auf solche Weise optimiert werden, um Amplitudenfunktionen der Zwischensignale Si, Co und Si', Co' über eine Umdrehung zu vermeiden. Zum Beispiel kann dies ausgeführt werden durch Auswählen des Symmetriezentrums der Magnetisierung des Multipolmagneten irgendwo zwischen der Mitte der Rotation und der Exzentrizität. Beispiele, wo das Symmetriezentrum der Magnetisierung des Multipolmagneten 130 der Mitte der Rotation entspricht sind in 8A, B gezeigt. Auch die p Polpaare des Multipolmagneten 130 können gleiche Aperturwinkel α im Hinblick auf die Mitte der Rotation oder die Rotationsachse 115 aufweisen. Dieses Konzept ist schematisch in 9 dargestellt, die einen ringförmigen Multipolmagneten mit p Polpaaren und gleichem Aperturwinkel α=360°/2p im Hinblick auf die Rotationsachse 115 zeigt. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass dieser Magnetisierungs-Symmetriezentrums-Versatz nicht zwingend ist, und dass das Symmetriezentrum der Magnetisierung des Multipolmagneten dem Symmetriezentrum der physischen/strukturellen Form (Schwerpunkt) des Multipolmagneten 130 entsprechen kann. Obwohl Winkel-Schätzungen ungenauer sein können, können solche Multipolmagnetringe mit entsprechenden Magnetisierungs-Symmetriezentren und strukturellen Symmetriezentren einfacher herzustellen und vielseitiger sein, da sie unabhängig von der finalen Exzentrizität sind.
Ferner kann die radiale Breite w des Multipolmagnetrings 130 gegenüber der Azimutalposition variieren (siehe 8A). Zum Beispiel kann sie für jene Teile des Rings größer sein, die näher an der Rotationsachse sind, oder für jene, die weiter entfernt sind. Jeglicher des inneren und äußeren Umfangs des Magnetrings 130 kann kreisförmig oder elliptisch sein. Wenn sie beide elliptisch sind, können die Hauptachsen dieser Ellipsen parallel oder orthogonal sein. Letzteres kann wie bei dem Beispiel von 8A aussehen. Hier ist die Mitte des Kreises die Rotationsachse 115 senkrecht zu der Zeichenebene und die Multipole sind die Sequenz der N- und S-Pole und die Mitten beider Ellipsen sind identisch aber nach links auf der Rotationsachse verschoben.
Wenn Innen- und Außen-Umfang beide kreisförmig sind, müssen sie nicht dieselbe Mitte aufweisen, sondern können verschoben sein, z.B. um einen Betrag vergleichbar mit der Exzentrizität. Der Magnetring kann schmal (d.h. w<< Ri) oder breit sein wie der aus 8B, mit einem konzentrischen kreisförmigen Innen- und Außen-Umfang, aber wo das Symmetriezentrum des Magnetmusters nach rechts von der Mitte der Kreise verschoben ist.
Es ist auch möglich, azimuthale (tangentiale) Magnetfeldkomponenten anstelle von axialen zu verwenden.
Die axiale Magnetfeldkomponente B_z und die ersten Zwischensignale Si, Co werden wenig durch externe Störfelder beeinflusst. Die radialen Magnetfeldkomponenten B_R und die zweiten Zwischensignale Si', Co' können tatsächlich durch externe Störfelder (nämlich diametrale) beeinflusst werden. Das System kann jedoch modifiziert werden durch Ersetzen jedes B_R-Feldsensors durch zwei B_R-Feldsensoren, die um 1,5mm tangential distal sein können. Die Verarbeitungsschaltungsanordnung kann dann dBR = BR(psi+dpsi) - BR( psi-dpsi) mit dpsi*RR = 1...5mm berechnen (wobei RR der Leseradius des Sensorelements ist). dBR ist robust gegen externe Störfelder, insbesondere wenn beide Sensorelemente nicht zu nahe an der eisenhaltigen Welle 110 sind. Bei weiteren Ausführungsbeispielen können auch die anderen Magnetfeldkomponenten durch ihre unterschiedlichen Analogi ersetzt werden, d.h. anstelle von Bz kann das System dBz = Bz(psi+dpsi) - Bz(psi-dpsi) messen und anstelle von Bpsi kann das System dBpsi = Bpsi(psi+dpsi) - Bpsi(psi-dpsi) messen. Immer wenn unterschiedliche Felder gemessen werden sollen, werden zwei Magnetfeld-empfindliche Elemente an der azimutalen Koordinate psi+dpsi und psi-dpsi platziert und wenn sie empfindlich für die gleiche Magnetfeldkomponente sind muss die Schaltung ihre Signale subtrahieren.
Die Aspekte und Merkmale, die zusammen mit einem oder mehreren der vorher detaillierten Beispiele und Figuren beschrieben sind, können auch mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden, um ein gleiches Merkmal des anderen Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal in das andere Beispiel zusätzlich einzuführen.
Beispiele können weiterhin ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen eines oder mehrerer der obigen Prozesse bereitstellen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder Prozessor ausgeführt wird. Schritte, Operationen oder Prozesse von verschiedenen, oben beschriebenen Verfahren können durch programmierte Computer oder Prozessoren ausgeführt werden. Beispiele können auch Programmspeichervorrichtungen, z. B. Digitaldatenspeichermedien, abdecken, die maschinen-, prozessor- oder computerlesbar sind und maschinenausführbare, prozessorausführbare oder computerausführbare Programme von Anweisungen codieren. Die Anweisungen führen einige oder alle der Schritte der oben beschriebenen Verfahren aus oder verursachen deren Ausführung. Die Programmspeichervorrichtungen können z. B. Digitalspeicher, magnetische Speichermedien wie beispielsweise Magnetplatten und Magnetbänder, Festplattenlaufwerke oder optisch lesbare Digitaldatenspeichermedien umfassen oder sein. Weitere Beispiele können auch Computer, Prozessoren oder Steuereinheiten, die zum Ausführen der Schritte der oben beschriebenen Verfahren programmiert sind, oder (feld-)programmierbare Logik-Arrays ((F)PLAs = (Field) Programmable Logic Arrays) oder (feld-)programmierbare Gate-Arrays ((F)PGA = (Field) Programmable Gate Arrays), die zum Ausführen der Schritte der oben beschriebenen Verfahren programmiert sind, abdecken.
Durch die Beschreibung und Zeichnungen werden nur die Grundsätze der Offenbarung dargestellt. Weiterhin sollen alle hier aufgeführten Beispiele grundsätzlich ausdrücklich nur Lehrzwecken dienen, um den Leser beim Verständnis der Grundsätze der Offenbarung und der durch den (die) Erfinder beigetragenen Konzepte zur Weiterentwicklung der Technik zu unterstützen. Alle hiesigen Aussagen über Grundsätze, Aspekte und Beispiele der Offenbarung sowie konkrete Beispiele derselben sollen deren Entsprechungen umfassen.
Ein als „Mittel für...“ bezeichneter Funktionsblock, der eine bestimmte Funktion ausführt, kann sich auf eine Schaltung beziehen, die zum Durchführen einer bestimmten Funktion ausgebildet ist. Somit kann ein „Mittel für etwas“ als ein „Mittel ausgebildet für oder geeignet für etwas“ implementiert sein, z. B. eine Vorrichtung oder eine Schaltung, die ausgebildet ist für oder geeignet ist für die jeweilige Aufgabe.
Funktionen verschiedener in den Figuren gezeigter Elemente einschließlich jeder als „Mittel“, „Mittel zum Bereitstellen eines Signals“, „Mittel zum Erzeugen eines Signals“, etc. bezeichneter Funktionsblöcke kann in Form dedizierter Hardware, z. B „eines Signalanbieters“, „einer Signalverarbeitungseinheit“, „eines Prozessors“, „einer Steuerung“ etc. sowie als Hardware fähig zum Ausführen von Software in Verbindung mit zugehöriger Software implementiert sein. Bei Bereitstellung durch einen Prozessor können die Funktionen durch einen einzelnen dedizierten Prozessor, durch einen einzelnen gemeinschaftlich verwendeten Prozessor oder durch eine Mehrzahl von individuellen Prozessoren bereitgestellt sein, von denen einige oder von denen alle gemeinschaftlich verwendet werden können. Allerdings ist der Begriff „Prozessor“ oder „Steuerung“ bei Weitem nicht auf ausschließlich zur Ausführung von Software fähige Hardware begrenzt, sondern kann Digitalsignalprozessor-Hardware (DSP-Hardware; DSP = Digital Signal Processor), Netzprozessor, anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC = Application Specific Integrated Circuit), feldprogrammierbares Logik-Array (FPGA = Field Programmable Gate Array), Nurlesespeicher (ROM = Read Only Memory) zum Speichern von Software, Direktzugriffsspeicher (RAM = Random Access Memory) und nichtflüchtige Speichervorrichtung (storage) umfassen. Sonstige Hardware, herkömmliche und/oder kundenspezifische, kann auch eingeschlossen sein.
Ein Blockdiagramm kann zum Beispiel ein detailliertes Schaltdiagramm darstellen, das die Grundsätze der Offenbarung implementiert. Auf ähnliche Weise können ein Flussdiagramm, ein Ablaufdiagramm, ein Zustandsübergangsdiagramm, ein Pseudocode und dergleichen verschiedene Prozesse, Operationen oder Schritte repräsentieren, die zum Beispiel im Wesentlichen in computerlesbarem Medium dargestellt und so durch einen Computer oder Prozessor ausgeführt werden, ungeachtet dessen, ob ein solcher Computer oder Prozessor explizit gezeigt ist. In der Beschreibung oder in den Patentansprüchen offenbarte Verfahren können durch eine Vorrichtung implementiert werden, die ein Mittel zum Ausführen eines jeden der jeweiligen Schritte dieser Verfahren aufweist.
Es versteht sich, dass die Offenbarung mehrerer, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte, Prozesse, Operationen oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden soll, sofern dies nicht explizit oder implizit anderweitig, z. B. aus technischen Gründen, angegeben ist. Daher werden diese durch die Offenbarung von mehreren Schritten oder Funktionen nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Ferner kann bei einigen Beispielen ein einzelner Schritt, Funktion, Prozess oder Operation mehrere Teilschritte, -funktionen, -prozesse oder -operationen einschließen und/oder in dieselben aufgebrochen werden. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts sein, sofern sie nicht explizit ausgeschlossen sind.
Weiterhin sind die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Während jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hier explizit vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.
Bezugszeichenliste

100: Magnetwinkelsensoranordnung
110: Welle
115: Rotationsachse
120: Halterung, Stützträger
130: Multipolmagnet
140: Magnetfeldsensorschaltung
150: Verarbeitungsschaltungsanordnung
400: Verfahren zum Schätzen eines Rotationswinkels
410: Durchführen von Magnetfeldmessungen
420: Berechnen einer ersten Zwischen-Winkelinformation
430: Berechnen einer zweiten Zwischen-Winkelinformation
440: Schätzen des Rotationswinkels
700: Skizze des geschätzten Rotationswinkels

Claims

Eine Magnetwinkelsensoranordnung (100), umfassend: einen Multipolmagneten (130), der um eine Rotationsachse (115) drehbar ist, wobei eine geometrische Anordnung des Multipolmagneten (120) rotationsmäßig asymmetrisch im Hinblick auf die Rotationsachse (115) ist; eine Mehrzahl von N Magnetfeldsensorschaltungen (140), die um die Rotationsachse (115) an vordefinierten, äquidistanten Winkelpositionen in einer vordefinierten axialen Distanz von dem Multipolmagneten (130) platziert ist, wobei jede Magnetfeldsensorschaltung (140) ein erstes Magnetfeldsensorelement, das empfindlich für eine erste Magnetfeldkomponente ist, und ein zweites Magnetfeldsensorelement, das empfindlich für eine zweite Magnetfeldkomponente ist, die senkrecht zu der ersten Magnetfeldkomponente ist, umfasst, wobei der Multipolmagnet p ≥ 2 Polpaare aufweist, wobei p mod N ≠ 0, und wobei die Magnetfeldsensorschaltungen (140) um die Rotationsachse mit einer Winkelbeabstandung von 360°/N/p oder 360°/N zwischen benachbarten Magnetfeldsensorschaltungen platziert sind; und eine Verarbeitungsschaltungsanordnung (150), die ausgebildet ist, um eine ersten Zwischen-Winkelinformation basierend auf einer Kombination von Signalen von der Mehrzahl von ersten Magnetfeldsensorelementen zu berechnen, um eine zweite Zwischen-Winkelinformation basierend auf einer Kombination von Signalen von der Mehrzahl von zweiten Magnetfeldsensorelementen zu berechnen, und um einen Schätzwert eines Rotationswinkels des Multipolmagneten (130) basierend auf der ersten und zweiten Zwischen-Winkelinformation zu berechnen.
Die Magnetwinkelsensoranordnung (100) gemäß Anspruch 1, wobei ein Schwerpunkt des Multipolmagneten (130) radial von der Rotationsachse (115) versetzt ist.
Die Magnetwinkelsensoranordnung (100) gemäß Anspruch 2, wobei der Schwerpunkt der magnetisierten Abschnitte des Multipolmagneten (130) von der Rotationsachse (115) mit einer radialen Verschiebung im Bereich zwischen 1 mm und 5 mm verschoben ist.
Die Magnetwinkelsensoranordnung (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Multipolmagnet (130) eine ringförmige Form aufweist und auf einer Halterung exzentrisch zu der Rotationsachse (115) platziert ist.
Die Magnetwinkelsensoranordnung (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine relative radiale Position zwischen einer beliebigen der Magnetfeldsensorschaltungen (140) und einem Umfang des Multipolmagneten (130) während einer Umdrehung des Multipolmagneten (130) um die Rotationsachse (115) variiert.
Die Magnetwinkelsensoranordnung (100) gemäß Anspruch 5, wobei eine erste radiale Distanz zwischen einem Umfang des Multipolmagneten (130) und einer der Magnetfeldsensorschaltungen in einer ersten Winkelposition des Multipolmagneten (130) sich von einer zweiten radialen Distanz zwischen dem Umfang des Multipolmagneten (130) und derselben Magnetfeldsensorschaltung in einer zweiten Winkelposition des Multipolmagneten (130) unterscheidet.
Die Magnetwinkelsensoranordnung (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die vordefinierte axiale Distanz in einem Bereich von 1 mm bis 3 mm ist.
Die Magnetwinkelsensoranordnung (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Multipolmagnet (130) p ≥ 2 Polpaare von gleichem Aperturwinkel im Hinblick auf die Rotationsachse (115) aufweist.
Die Magnetwinkelsensoranordnung (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend N = 3 Magnetfeldsensorschaltungen, die um die Rotationsachse an Winkelpositionen von 0°, 120°, und 240° platziert sind, und wobei die Verarbeitungsschaltungsanordnung (150) ausgebildet ist, um die erste Zwischen-Winkelinformation phi' zu berechnen, basierend auf $phi' = arctan (Co, Si),$
wobei Co = B_z,0° - (B_z,120° +B_z,240°)/2 und Si = sqrt(3)*(B_z,120° - B_z,240°)/2, wobei B_z,0° eine axiale Magnetfeldkomponente bezeichnet, gemessen bei 0°, B_z,120° eine axiale Magnetfeldkomponente bezeichnet, gemessen bei 120°, und B_z,240° eine axiale Magnetfeldkomponente bezeichnet, gemessen bei 240°.
Die Magnetwinkelsensoranordnung (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungsschaltungsanordnung (150) ausgebildet ist, um die zweiten Zwischen-Winkelinformation phi" zu berechnen, basierend auf $phi'' = arctan (Co', Si'),$
wobei Co' = B_r,0° - (B_r,120° +B_r,240°)/2 und Si' = sqrt(3)*(B_r,120° - B_r,240°)/2, wobei B_r,0° eine radiale Magnetfeldkomponente bezeichnet, gemessen bei 0°, B_r,120° eine radiale Magnetfeldkomponente bezeichnet, gemessen bei 120°, und B_r,240° eine radiale Magnetfeldkomponente bezeichnet, gemessen bei 240°.
Ein geschlossener Multipolmagnet (130) mit einem magnetischen Symmetriezentrum (115), das von dem Schwerpunkt des Multipolmagneten (130) versetzt ist, wobei der Multipolmagnet p ≥ 2 Polpaare von jeweils gleichem Aperturwinkel im Hinblick auf das magnetische Symmetriezentrum (115) aufweist.
Der Multipolmagnet (130) gemäß Anspruch 11, wobei der Multipolmagnetp ≥ 2 Polpaare aufweist, von denen zumindest alle Nordpole unter demselben Aperturwinkel im Hinblick auf das magnetische Symmetriezentrum (115) auftreten.
Der Multipolmagnet (130) gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei der Multipolmagnet (130) auf einem Stützträger (120) platziert ist, der um eine Rotationsachse (115) drehbar ist, wobei das magnetische Symmetriezentrum des Multipolmagneten mit der Rotationsachse (115) zusammenfällt und der Schwerpunkt des Multipolmagneten radial von der Rotationsachse (115) versetzt ist.
Der Multipolmagnet (130) gemäß Anspruch 13, wobei der Multipolmagnet von ringförmiger Form ist und auf dem Stützträger (120) exzentrisch zu der Rotationsachse (115) platziert ist.
Ein Verfahren (400) zum Schätzen eines Rotationswinkels, das Verfahren umfassend: Ausführen (410) von Magnetfeldmessungen mit einer Mehrzahl von N Magnetfeldsensorschaltungen (140), die um die Rotationsachse an vordefinierten Winkelpositionen in einer vordefinierten axialen Distanz zu einem Multipolmagneten (130) platziert sind, der um eine Rotationsachse (115) drehbar ist, wobei jede der Mehrzahl von Magnetfeldsensorschaltungen ein erstes Magnetfeldsensorelement, das empfindlich für eine erste Magnetfeldkomponente ist, und zweites Magnetfeldsensorelement, das empfindlich für eine zweite Magnetfeldkomponente ist, die senkrecht zu der ersten Magnetfeldkomponente ist, umfasst, wobei der Multipolmagnet p ≥ 2 Polpaare aufweist, wobei p mod N ≠ 0, und wobei die Magnetfeldsensorschaltungen (140) um die Rotationsachse mit einer Winkelbeabstandung von 360°/N/p oder 360°/N zwischen benachbarten Magnetfeldsensorschaltungen platziert sind; Variieren (420) einer relativen radialen Position zwischen jeglichem einen von zumindest den zweiten Magnetfeldsensorelementen und einem Umfang des Multipolmagneten (130) während einer Umdrehung des Multipolmagneten um die Rotationsachse (115); Berechnen (430) einer ersten Zwischen-Winkelinformation basierend auf einer Kombination von Signalen von der Mehrzahl von ersten Magnetfeldsensorelementen; Berechnen (440) einer zweiten Zwischen-Winkelinformation basierend auf einer Kombination von Signalen von der Mehrzahl von zweiten Magnetfeldsensorelementen; und Schätzen (450) des Rotationswinkels basierend auf der ersten und zweiten Zwischen-Winkelinformation.
Das Verfahren (400) gemäß Anspruch 15, wobei das Variieren (420) der relativen radialen Position das Platzieren des Multipolmagneten (130) auf einem Stützträger (120) aufweist, der sich um die Rotationsachse (115) dreht, wobei eine geometrische Anordnung des Multipolmagneten auf dem Stützträger rotationsmäßig asymmetrisch im Hinblick auf die Rotationsachse (115) ist.
Das Verfahren (400) gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei der Stützträger (120) rotationssymmetrisch ist und konzentrisch zu der Rotationsachse (115) angeordnet ist, wobei das Variieren (420) der relativen radialen Position das Platzieren eines Multipolmagneten (130) einer ringförmigen Form auf dem Stützträger (120) exzentrisch zu der Rotationsachse (115) aufweist.