DE4422868A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen eines Drehwinkels eines Magneten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Dreh­ winkels eines drehbaren Magneten.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung finden ihre Anwendung bei Rich­ tungssensoren wie Navigationssysteme und Kompaß und bei der Winkelbestimmung von sich drehenden Wellen wie Drehgeber etc. Der Drehwinkel kann einerseits dann be­ stimmt werden, wenn der Magnet sich kontinuierlich dreht, andererseits dann, wenn sich der Magnet in einer statischen Lage befindet und eine feste Winkellage bzw. einen festen Drehwinkel einnimmt.

Die Drehwinkelbestimmung bei solchen Verfahren und Vorrichtungen erfolgt in der Praxis dadurch, daß mit zwei Magnetfeldsensoren zwei Komponenten des von dem sich drehenden Magneten erzeugten Magnetfeldes gemessen werden. Die Magnetfeldsensoren sind üblicherweise konzentrisch zu der Drehachse des Magneten, beispielsweise um 90° versetzt, angeordnet. Die zueinander beispielsweise um 90°, phasenverschobenen Meßsi­ gnale der Magnetfeldsensoren werden jeweils auf einen Analog/Digital-Wandler gegeben und von diesem einer Recheneinrichtung zugeführt. In der Recheneinrichtung wird aufgrund der Phasenbeziehung zwischen den beiden Signalen für jeden Meßwert der Drehwinkel berechnet. Ebenfalls kann in der Recheneinrichtung der Betrag der Meßsigna­ le berechnet werden. Die Betragsbestimmung dient dabei zur Überprüfung der Funktion der Vorrichtung.

Nachteilig an einem solchen Verfahren und an einer solchen Vorrichtung sind die Vielzahl der notwendigen, aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte, der Platzbedarf und die Kosten für die dafür notwendigen Schaltungsblöcke. Dies steht einer monolithischen Integration dieses Verfahrens und dieser Anordnung entgegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Drehwinkels eines drehbaren Magneten zu schaffen, wobei der Dreh­ winkel einfacher bestimmbar ist und der Platzbedarf der Vorrichtung geringer ist.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein erstes und ein zweites von dem Drehwinkel abhängiges Meßsignal mit vorbestimmter Phasenverschie­ bung einer steuerbaren Einstelleinrichtung zugeführt werden, in der wenigstens eines der Meßsignale mit Funktionswerten w einer Funktion f von Einstellwerten P multipliziert wird, wobei die Funktion so gewählt ist, daß es für jede Drehwinkel eines Winkelberei­ ches einen eindeutigen Einstellwert P gibt, bei dem die Ausgangssignale der Einstell­ einrichtung gleich groß sind, und der Einstellwert P so lange verändert wird, bis der dem Drehwinkel zugeordnete Einstellwert P gefunden ist.

Ferner wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit einem ersten und einem zweiten Magnetfeldsensor gelöst, die so angeordnet sind, daß ein erstes und ein zweites vom Drehwinkel abhängiges Meßsignal mit einer vorbestimmten Phasenverschiebung meßbar sind, mit einer mittels Einstellwerten P steuerbaren, mit den Magnetfeldsensoren ver­ bundenen Einstelleinrichtung, in welcher wenigstens eines der Meßsignale mit Funktions­ werten w einer Funktion f multipliziert wird, wobei die Funktion f so gewählt ist, daß es für jeden Drehwinkel eines Winkelbereiches einen eindeutigen Einstellwert P gibt, bei dem die Ausgangssignale der Einstelleinrichtung gleich groß sind, mit einem Kom­ parator, dem wenigstens ein Ausgangssignal der Einstelleinrichtung zum Vergleich mit einem Referenzsignal zugeführt wird, und mit einer Steuereinrichtung, mit der der Einstellwert P so lange veränderbar ist, bis der dem Drehwinkel zugeordnete Einstell­ wert P gefunden ist.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung kann der Drehwinkel auf einfache Weise bestimmt werden. Es ist zu der Drehwinkelbestimmung keine Recheneinrichtung und daher kein A/D-Wandler erforderlich. Die Drehwinkelbe­ stimmung kann aufgrund einer analogen Anordnung erfolgen. Eine solche Auswertevor­ richtung hat auch den Vorteil, daß sie sich sehr leicht auf einem Chip integrieren läßt und kein Abgleich erforderlich ist.

Der Winkelbereich, in dem aufgrund der Funktion den Drehwinkeln ein eindeutiger Wert P zugeordnet ist, kann abhängig von dem Anwendungsfall unterschiedlich groß gewählt werden. Die Funktion f kann durch eine einfache Näherungsfunktion in begrenzten Winkelbereichen angenähert werden. In kleinen Winkelbereichen läßt sich dies häufig durch eine lineare Funktion realisieren. So kann z. B. bei der Verwendung eines sinusför­ migen Meßsignals der untere Winkelbereich der Funktion f durch eine lineare Funktion angenähert werden. Voraussetzung für die Durchführung des Verfahrens ist, daß das erste und das zweite Meßsignal gleich groß sind, d. h. gleiche Spitzenamplitude haben. Die Meßsignale lassen sich mit B·f(α) beschreiben.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.

Vorteilhafterweise weisen die Magnetfeldsensoren Hallelemente auf. Die Hallelemente lassen sich sehr einfach zusammen mit der Auswerteeinrichtung auf einem Chip integrie­ ren.

Es ist vorteilhaft, wenn die Einstelleinrichtung digital ansteuerbar ist. Dann können die Einstellwerte mit der Steuereinrichtung einfach verändert werden. Ferner ist es günstig, wenn die Einstelleinrichtung eine erste Widerstandskette aufweist, deren Widerstände so ausgebildet und in Reihe geschaltet sind, daß für einen Einstellwert ein Ausgangssignal abgreifbar ist, welches dem dem Einstellwert P zugeordneten Funktionswert w der Funk­ tion f entspricht. So kann das Meßsignal auf einfache Weise mit der Funktion multipli­ ziert werden. Soll die Funktion eine lineare Funktion sein, werden gleiche Widerstände verwendet, so daß man einen linearen Widerstandsteiler erhält. Dieser kann auch für eine lineare Annäherung der Funktion in einem Winkelbereich verwendet werden. Außerhalb dieses Winkelbereiches können dann die bestimmten eindeutigen Werte P mittels einer Tabelle oder mittels eines Rechners korrigiert werden. Falls die Winkel außerhalb des Winkelbereiches für die Anwendung unbedeutend sind, brauchen sie nicht berücksichtigt zu werden. Wenn die Meßsignale und damit die Funktion f in dem Winkelbereich nicht linear sind, müssen die Widerstände der Widerstandskette unterschiedlich groß gewählt werden, so daß die den Einstellwerten zugeordneten Funktionswerte realisiert werden. Die Widerstandskette kann aus mittels Schalter verbundenen Einzelwiderständen bestehen. Die Schalter können digital ansteuerbar sein.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das erste Meßsignal ein Sinussignal und das zweite Meßsignal ein Cosinussignal. Diese Meßsignale werden auf einfache Weise durch einen sich um eine feste Achse drehenden Magneten erreicht, dessen Nord- und Südpol auf einer zu der Drehachse senkrechten Linie angeordnet sind.

Es ist vorteilhaft, wenn jeder Magnetfeldsensor mit einem Inversionselement zum Inver­ tieren des jeweiligen Meßsignals verbunden ist. Bei der Verwendung von Sinus- und Cosinussignalen kann man dann durch entsprechendes Invertieren der Meßsignale jeweils ein Sinus- und ein Cosinussignal in dem ersten Quadranten erzeugen. Auch kann zwischen den Magnetfeldsensoren und der Einstellrichtung ein Signaltauschelement vorgesehen sein. Mit diesem können die beiden Meßsignale bei Bedarf miteinander vertauscht werden. Das Vertauschen der Meßsignale bzw. der invertierten Meßsignale dient ebenfalls dazu, zu erreichen, daß die Ausgangssignale des Signaltauschelements Meßsignalen in einem bestimmten Winkelbereich entsprechen, z. B. einem Sinus- und einem Cosinussignal zwischen 0 und 45°.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Widerstandskette so ausgebildet, daß das abgreifbare Ausgangssignal dem mit einer tan-Funktion multipli­ zierten Meßsignal entspricht. Dabei sind die einzelnen Widerstände der Widerstandskette so gewählt, daß beim Abgreifen zwischen den Widerständen jeweils eine Multiplikation mit der tan-Funktion erhalten wird. Diese Funktion ist dann sinnvoll, wenn die Meßsi­ gnale ein Sinus- und ein Cosinussignal sind, und nur das Sinussignal die Widerstands­ kette durchläuft. Wenn dem Komparator zur Differenzbildung das Ausgangssignal der Widerstandskette und das andere Meßsignal zugeführt werden, gibt es für alle Drehwin­ kel von 0 bis 90° einen eindeutigen Einstellwert P, bei dem die Ausgangssignale, d. h. das Ausgangssignal der Widerstandskräfte und das andere Meßsignal, gleich groß sind. Dieser Einstellwert P liegt dann vor, wenn an dem Komparator gleich große Signale anliegen, was durch das Ausgangssignal des Komparators angezeigt wird. Die außerhalb des 0 bis 90°-Winkelbereichs liegenden Winkelbereiche werden durch die oben beschriebene Inversion und Signalvertauschung erhalten.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine mit wenigstens einem Meßsignal verbundene Betragswiderstandskette vorgesehen, die so ausgebildet ist, daß für jeden Einstellwert P des Winkelbereichs ein eindeutiges Betragssignal abgreifbar ist, welches dem mit dem Kehrwert der Funktion f multiplizierten Meßsignal an der Stelle des Einstellwertes P entspricht. Somit läßt sich auf einfache Weise der Betrag des Meßsi­ gnals ermitteln, wodurch eine Überprüfung der Funktionsweise der Vorrichtung möglich ist. Ferner läßt sich überprüfen, ob die Amplitude ständig konstant bleibt. Auf diese Weise ist auch ein Abgleichen der Vorrichtung möglich.

Für die Betragswiderstandskette kann entweder die erste Widerstandskette verwendet werden. In diesem Fall müssen zusätzliche Abgriffe vorgesehen sein, an denen das ent­ sprechende Betragssignal abgreifbar ist. In diesem Fall muß, nachdem der Wert P, der dem Drehwinkel zugeordnet ist, bestimmt worden ist, ein diesem Wert P zugeordneter Einstellwert für die Betragsfunktion angesteuert werden, bei dem das entsprechende Betragssignal abgegriffen wird. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß sie sehr platz­ sparend ist. Die Betragswiderstandskette kann auch als zweite Widerstandskette ausgebil­ det sein. In diesem Fall kann die Betragswiderstandskette parallel zu der Widerstands­ kette geschaltet sein, und die Widerstände können so gewählt und angeordnet sein, daß an der Stelle, an der der eindeutige Wert P der ersten Widerstandskette liegt, der ent­ sprechende Einstellwert für das Betragssignal liegt und somit direkt an der gleichen Stelle abgelesen werden kann.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Betragssignal dem mit dem Kehrwert der Cosinusfunktion multiplizierten Meßsignal entsprechen. Dies ist dann sinnvoll, wenn die Meßsignale ein Sinus- und ein Cosinussignal sind, und das Sinussignal die erste Widerstandskette und die Betragswiderstandskette durchläuft. In diesem Fall erhält man den Betrag der Meßsignale auf einfache Weise. Günstigerweise werden das Betragssignal und ein Referenzsignal zur Differenzbildung auf einen Kom­ parator gegeben. Es wird dann auf einfache Weise überprüft, daß das Betragssignal stets eine bestimmte Höhe aufweist. Es kann dabei der gleiche Komparator verwendet werden, der zur Differenzbildung des Ausgangssignals der Widerstandskette und des anderen Meßsignals verwendet wird. Dem Komparator kann dann ein Schaltelement vorgeschaltet werden, mit welchem die Signale zur Drehwinkelbestimmung und die Signale zur Betragsbestimmung verbunden werden.

Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel kann das erste Meßsi­ gnal an einem Ende und das zweite Meßsignal an einem anderen Ende der ersten Wider­ standskette zugeführt werden, und das Ausgangssignal der Widerstandskette dem Komparator mit einem Referenzsignal zugeführt werden. In diesem Fall werden sowohl das erste als auch das zweite Meßsignal mit einer Funktion multipliziert. Es kann z. B. das erste und das zweite Meßsignal jeweils mit der zu dem Verlauf des Meßsignals inversen Funktion multipliziert werden, und die Differenz der multiplizierten Signale gebildet wird. Dies kann dadurch bewirkt werden, daß das erste und das zweite Meßsignal mit entgegengesetztem Vorzeichen der selben Widerstandskette mit geeignet gewählten Widerständen zugeführt werden und sich darin überlagern. Das Ausgangssignal wird dann mit dem Wert Null verglichen.

Vorteilhafterweise wird das erste Meßsignal an einem Ende und das zweite Meßsignal an einem anderen Ende der Betragswiderstandskette zugeführt. Die Betragsfunktion der Widerstandskette ist dann so gewählt, daß die Betragsbestimmung durch eine geeignete Multiplikation sowohl des ersten als auch des zweiten Meßsignals mit der Betrags­ funktion erfolgt. Das erste und das zweite Meßsignal werden mit gleichem Vorzeichen auf die Betragswiderstandskette gegeben, in welcher sie sich überlagern.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn mit der Steuereinrichtung aufgrund des Ausgangssignals des Komparators die Widerstandskette bzw. die Betragswiderstandskette, die Inversions­ elemente und das Signaltauschelement gesteuert werden, und die Steuereinrichtung einen Ausgang zur Ausgabe eines den Drehwinkel darstellenden Signals aufweist.

Vorteilhafterweise kann ein dritter und ein vierter Magnetfeldsensor vorgesehen sein, wobei der dritte Magnetfeldsensor zu dem ersten und der vierte Magnetfeldsensor zu dem zweiten antiparallel geschaltet ist und die Magnetfeldsensoren jeweils um 90° versetzt zueinander angeordnet sind, so daß sie zusammen eine quadratische Anordnung bilden, wobei die antiparallelgeschalteten Magnetfeldsensoren um 180° zueinander versetzt angeordnet sind. Diese Anordnung ist insbesondere bei Hallelementen auf einem integrierten Schaltkreis (IC) günstig. Es können mechanische Positionierungenauigkeiten der Hallelemente auf dem IC kompensiert werden. Es kann eine Mittelwertbildung der Beträge der Meßsignale der antiparallel geschalteten Hallelementen durchgeführt werden. Die Hallelemente können dazu in den Ecken des IC′s angeordnet werden.

Auch können die Meßanschlüsse und die Signalversorgungsanschlüssen des jeweiligen Hallelements innerhalb eines Meßzyklus orthogonal umschaltbar sein, und die Meßsigna­ le von zwei verschiedenen Schaltzuständen zur Signalauswertung miteinander verglichen werden. Dadurch werden Offsetfehler der Hallelemente von vornherein stark reduziert, so daß eine größere Meßgenauigkeit erreicht wird, siehe hierzu EP 0 548391 A1 (ITT-case C-DIT-1445). Ferner kann eine Kompensationseinrichtung zur Kompensation des Offsets des jeweiligen Hallelements und der Vorrichtung vorgesehen ist. Damit kann der Offset der Hallelemente weiter reduziert werden; zudem wird der Einfluß der Offsetkom­ ponenten der gesamten Vorrichtung, d. h. ihrer einzelnen Komponenten, welche zu dem Offset beitragen, beseitigt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert:

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 1 zeigt eine schematische Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Zwei Magentfeldsensoren, hier ein erster Hallsensor 1 und ein zweiter Hallsensor 2 sind um 90° versetzt konzentrisch zu einer Drehachse A angeordnet. Ein Magnet 20, dessen Nordpol N und Südpol S symmetrisch auf einer senkrecht zu der Drehachse A ver­ laufenden Geraden liegen, ist um die Achse A drehbar angeordnet. Aufgrund der Drehung des Magneten 20 wird in dem Hallsensor 1 ein Signal x, welches einem Sinussi­ gnal und in dem Detektor 2 ein Signal y, welches einem Kosinussignal entspricht, erzeugt. Die Meßsignale x, y werden einer Auswerteeinrichtung 21 zugeführt, welche eine in Fig. 2 und 3 gezeigte Einstelleinrichtung 11, einen Komparator 6 und eine Steuer­ einrichtung 8 enthält. Von der Auswerteeinrichtung 21 wird ein Signal D ausgegeben, welches eine Information über den Drehwinkel α des Magneten 20 enthält. Aufgrund des Signales D ist der Drehwinkel α bekannt.

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen des Drehwinkels α des drehbaren Magneten 20. Der Magnet 20 ist in der Fig. 2 nicht gezeigt. Der Aufbau der Auswerteeinrichtung 21, welcher die Meßsignale x, y zugeführt werden, ist genauer dargestellt.

Die Meßsignale x, y werden der Einstelleinrichtung 11 zugeführt. In dieser durchlaufen sie jeweils ein Inversionselement 3, 4 und ein Signaltauschelement 5. Die durch wahlwei­ se Inversion und Vertauschen der Signale x, y in den Inversionselementen 3, 4 und dem Signaltauschelement 5 erhaltenen Signale x′, y′ werden dem Komparator 6 zugeführt. Dabei wird das Signal y′ direkt auf einen Eingang des Komparators 6 gegeben. Das Signal x′ durchläuft, bevor es auf den anderen Eingang des Komparators 6 gegeben wird, eine erste Widerstandskette 7. Die Steuereinheit 8 bewirkt das sequenzielle Abtasten der ersten Widerstandskette 7. Durch das Abtasten der Widerstandskette 7 wird das Ein­ gangssignal des Komparators 6 beeinflußt. Das Ausgangssignal des Komparators 6 wird auf die Steuereinheit 8 gegeben. Die Inversionselemente 3, 4 und das Signaltauschelement 5 werden ebenfalls von der Steuereinheit 8 angesteuert. Von der Steuereinheit 8 wird ein Signal D ausgegeben, welches dem Drehwinkel des sich drehenden Magneten entspricht. Das Ausgangssignal x′ des Signaltauschelements 5 durchläuft eine Betragswiderstands­ kette 9 und wird als Betragssignal B weitergeführt.

Im folgenden wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels erläutert. Die von den Hallsensoren 1, 2 gemessenen Meßsignale x, y durchlaufen die Inversionselemente 3, 4 und das Signaltauschelement 5, ohne daß eine Inversion oder Vertauschung der Signale x, y vorliegen. Das Signal x′, welches hier dem Signal x entspricht, wird auf die erste Widerstandskette 7 gegeben. Die Widerstandskette 7 besteht z. B. aus in Reihe geschalteten Einzelwiderständen, von denen jeder über einen mittels der Steuereinheit 8 ansteuerbaren Schalter mit dem Komparator verbindbar ist. Durch die Verbindung eines bestimmten Einzelwiderstands mit dem Komparator wird festgelegt, über welchen bzw. über wievielen der Einzelwiderstände die Spannung abgegriffen wird. Die Widerstände sind so gewählt, daß die Widerstandskette in Abhängigkeit ihrer mittels der Steuereinheit 8 ansteuerbaren Einstellwerte die Multiplikation des einlaufenden Signales mit der Tangensfunktion bewirkt. Das Signal, welches über die erste Wider­ standskette 7 auf den einen Eingang des Komparators 6 gelangt, hat somit den Verlauf von x·tan α, wobei α dem Drehwinkel entspricht. Auf den anderen Eingang des Komparators 6 wird das Ausgangssignal y′ des Signaltauschelements 5 geführt. Wenn die Eingangssignale des Komparators 6 gleiche Größe haben, ändert das Ausgangssignal des Komparators 6 seinen Zustand. Da das Ausgangssignal des Komparators 6 der Steuer­ einheit 8 zugeführt wird, kann mit dieser folgende Bedingung überprüft werden:

x′·tan α - y′ = 0 (1)

Durch die Gleichung 1) ist der Zusammenhang zwischen den Signalen:

x′ = B·cos α
y′ = B·sin α (2)

gegeben, wobei B der Amplitude der Signale entspricht.

Voraussetzung für die Anwendung der Formel 1) ist, daß α zwischen 0 und 45° liegt. Diese Voraussetzung muß wegen der Realisierung der Tangensfunkion mit der Wider­ standskette 7 vorliegen, andererseits muß für den Vergleich durch den Komparator 6 die Bedingung x′ y′ 0 erfüllt sein.

Mit der Steuereinheit 8 wird die erste Widerstandskette 7 so lange mittels Einstellwerten gesteuert, bis sich das Ausgangssignal des Komparators 6 ändert und somit die Glei­ chung 1 erfüllt ist. Der unter dieser Bedingung von der Steuereinrichtung 8 bestimmte Einstellwert entspricht einem eindeutigen Einstellwert P, der dem Drehwinkel α zugeord­ net ist. Wird bei diesem Durchgang der eindeutige Einstellwert P gefunden, so wird von der Steuereinrichtung 8 ein dem Drehwinkel α zugeordnetes Signal D ausgegeben.

In dem Fall, in dem von der Steuereinrichtung 8 das Spektrum der Einstellwerte ange­ steuert worden ist und keine Änderung des Ausgangssignals des Komparators 6 regi­ striert worden ist, stellt die Steuereinrichtung 8 fest, daß die Gleichung 1 nicht erfüllt worden ist. Daraufhin steuert die Steuereinrichtung 8 die Inversionselemente 3, 4 und/ oder das Signaltauschelement 5 derart an, daß die Meßsignale x und/oder y wahlweise invertiert und/oder miteinander vertauscht werden. Danach steuert die Steuereinrichtung 8 die erste Widerstandskette 7 mittels den Einstellwerten wieder an und beobachtet das Ausgangssignal des Komparators 6. Ändert sich das Ausgangssignal des Komparators 6, so wird aufgrund der Gleichung 1 und der dem Steuerwerk bekannten Information über den Zustand der Inversionselemente 3, 4 und des Signalaustauschelements 5 ein den Drehwinkel α zugeordnetes Signal D bestimmt und ausgegeben. Ändert sich das Aus­ gangssignal des Komparators 6 nicht, so werden die Inversionselemente 3, 4 und/oder das Signaltauschelement 5 von neuem angesteuert und der Ansteuervorgang der ersten Widerstandskette 7 mittels der Einstellwerte wiederholt. Die Art und Reihenfolge der Inversion und der Signalvertauschung mit den Inversionselementen 3, 4 und dem Signaltauschelement 5 erfolgt so, daß das Sinus- und das Cosinussignal x, y in 45° Abschnitte unterteilt werden, die jeweils so lange invertiert und vertauscht werden, bis sie der Bedingung der Sinus- und Cosinusfunktion zwischen 0 und 45° entsprechen. Je nach Anwendungszweck können mit dem Steuerwerk 8 zum Ansteuern der ersten Widerstandskette 7 mit den Einstellwerten auch Grobrasterungen vorgenommen werden, bei denen nicht alle Einstellwerte kontinuierlich angesteuert werden.

Wenn der eindeutige Wert P gefunden ist und das den Drehwinkel bestimmende Signal D von der Steuereinrichtung 8 ausgegeben wird, wird eine Betragswiderstandskette 9 mit dem eindeutigen Wert P angesteuert, so daß diese ein Betragssignal B liefert.

Die Betragswiderstandskette 9 kann z. B. ebenfalls aus in Reihe geschalteten Einzelwider­ ständen bestehen, welche über mittels dem Steuerwerk 8 ansteuerbaren Schaltern mit dem Betragsausgang verbindbar sind. Die Widerstände sind so gewählt, daß das Signal x′ beim Durchlaufen der Betragswiderstandskette 9 eine Multiplikation mit der inversen Cosinusfunktion erfährt. Damit ist der Betrag B der Meßsignale gegeben. Für diesen gilt nämlich bei Verwendung der in Gleichung 2 dargestellten Signale x′, y′ folgende Bedingung:

B = x · 1/cos α. (3)

Es sind auch Modifikationen des ersten Ausführungsbeispiels möglich. So kann die Betragswiderstandskette 9 in der ersten Widerstandskette 7 enthalten sein. Das den Betrag B enthaltende Betragssignal kann ebenfalls auf den Komparator 6 gegeben werden und dort mit einem festen Referenzwert verglichen werden.

In Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es sind zwei Hallsensoren 1, 2 angeordnet, deren Meßsignale einer Einstelleinrichtung zugeführt werden, welche mit der Einstelleinrichtung 11 aus Fig. 1 vergleichbare Elemente aufweist. Für die Einstelleinrichtung ist ein symmetrischer Aufbau gewählt, da dadurch sym­ metrische Störeinflüsse eliminiert werden können. Zudem können sonst notwendige Konvertierungen der Signale vermieden werden, da die hohen Gleichtaktanteile der Hall- Signalspannungen den Meßablauf nicht beeinflussen. Zu diesem Zweck werden die Aus­ gangssignale der Hallsensoren 1 und 2 jeweils in zwei Hälften aufgeteilt und somit als Signale x/2 und y/2 auf die Einstelleinrichtung gegeben.

Die Hallsensoren 1, 2 sind direkt mit den Inversionselementen 3, 4 verbunden, welche zugleich auch jeweils ein Signaltauschelement darstellen. Die Inversionselemente 3, 4 sind in jedem Zweig der Einstelleinrichtung mit der ersten Widerstandskette 7, 7′ verbunden. Auf die Widerstandsketten 7, 7′ wird somit von der einen Seite das Signal y/2 oder ein entsprechend invertiertes Signal und von der anderen Seite x/2 oder ein entsprechend invertiertes Signal gegeben. An den Widerstandsketten 7, 7′ werden die Signale a, a′ abgegriffen und dem Komparator 6 zugeführt. Der Abgriff der Signale a, a′ ist mittels der Steuereinrichtung 8 steuerbar. So sind beispielsweise auch die Abgriffe der Signale b, b′ möglich.

Ferner ist in jedem Zweig der Einstelleinrichtung eine Betragswiderstandskette 9, 9′ parallel zu den Widerstandsketten 7, 7′ vorgesehen. Auf die Betragswiderstandsketten 9, 9′ werden auf der einen Seite die Ausgangssignale des Inversionselementes 3, und auf der anderen Seite die Ausgangssignale des Inversionselements 4 gegeben.

Die Funktionsweise des gezeigten Ausführungsbeispiels ist ähnlich wie die des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels. Die Signale x/2 und y/2 der Hallsensoren 1, 2 werden auf die Widerstandsketten 7, 7′ gegeben. Die Signale x/2 und y/2 werden in den Widerstandsketten 7, 7′ mit entgegengesetztem Vorzeichen überlagert. Das überlagerte Ausgangssignal a wird auf den Komparator 6 gegeben. Die Widerstandsketten 7, 7′ sind so aufgebaut, daß die Abgriffe eine bestimmte Funktion wiedergeben, die so gewählt ist, daß aufgrund der Stelle, an der das Signal a, a′ oder b, b′ den Wert 0 annimmt, ein eindeutiger Drehwinkel gegeben ist. Wenn das Signal x ein Sinussignal und das Signal y ein Cosinussignal sind, so ist in der durch den Widerstand 7, 7′ wiedergegebenen Funktion die Tangensfunktion enthalten. Werden in diesem Fall eine bestimmte Anzahl von Teilwiderständen der Widerstandskette 7, 7′ mit dem Gesamtwiderstand R abgegrif­ fen, so ist der Teilwiderstand R T gegeben durch:

R_T = R/(1 + tan α) (4)

Mit der Steuereinrichtung 8 wird der Abgriff a, a′ , b, b′ der Widerstandsketten 7, 7′ solange variiert, bis der Wert Null über dem Komparator 6 in die Steuereinrichtung 8 eingegeben wird. Jeder Stelle, an der ein solcher Signalwert a, a′ , b, b′ abgegriffen wird, ist ein bestimmter Drehwinkel zugeordnet.

Ist die Stelle bekannt, an der das Signal Null und damit der Drehwinkel bestimmt wurde, so wird die entsprechend parallele Stelle der jeweiligen Betragswiderstandsketten 9, 9′ angesteuert. Die Funktion der Betragswiderstandsketten 9, 9′ ist dabei so gewählt, daß das an dieser Stelle abgegriffene Signal den Betrag des Signales wiedergibt, welcher dem durch die Widerstandsketten 7, 7′ bestimmten Drehwinkel zugeordnet ist. Dieses Betrags­ signal kann entweder auf einen Komparator gegeben werden, der Steuereinrichtung 8 zugeführt werden oder einer anderen Steuereinheit zugeführt werden. Für die Betragser­ mittlung werden die Signale x/2 und y/2 mit gleichem Vorzeichen auf die Betrags­ widerstandsketten 9, 9′ gegeben.

Es ist auch möglich, anstelle der parallel zu den Widerstandsketten 7, 7′ angeordneten Betragswiderstandsketten 9, 9′ die Betragswiderstandsketten in die Widerstandsketten 7, 7′ zu integrieren. Dann müssen die Widerstandsketten 7, 7′ Abgriffe aufweisen, die an verschiedenen Stellen den Drehwinkel und an anderen Stellen den Betrag der Meßsignale wiedergeben. Dabei muß die Zuordnung zwischen den Stellen, an denen der Drehwinkel und der dazu gehörende Betrag abgegriffen werden können, bekannt sein. Wenn der Drehwinkel bestimmt worden ist, muß dann an der Widerstandskette 7 die dem Dreh­ winkel zugeordnete Stelle angesteuert werden, an welcher sich das zugehörige Betrags­ signal abgreifen läßt. Die Anordnung und die Abgriffe der Widerstandsketten 7, 7′ und der Betragswiderstandsketten 9, 9′ können z. B. numerisch bestimmt werden.

Claims (17)

1. Vorrichtung zum Bestimmen eines Drehwinkels (α) eines drehbaren Magneten, mit einem ersten und einem zweiten auf einem Halbleitersubstrat monolithisch integrier­ ten Hallsensor (1, 2), die so angeordnet sind, daß ein erstes und ein zweites vom Drehwinkel abhängiges Meßsignal (x, y) mit einer vorbestimmten Phasenverschie­ bung meßbar sind, mit einer mittels Einstellwerten P steuerbaren, mit den Hallsen­ soren (1, 2) verbundenen Einstelleinrichtung (11), in welcher wenigstens eines der Meßsignale (x, y) mit Funktionswerten w einer Funktion f multipliziert wird, wobei die Funktion f so gewählt ist, daß es für jeden Drehwinkel (α) eines Winkelbereiches einen eindeutigen Einstellwert P gibt, bei dem die Ausgangssignale der Einstell­ einrichtung (11) gleich groß sind, mit einem Komparator (6), dem wenigstens ein Ausgangssignal der Einstelleinrichtung (11) zum Vergleich mit einem Referenzsignal zugeführt wird, und mit einer Steuereinrichtung (8), mit der der Einstellwert P so lange veränderbar ist, bis der dem Drehwinkel (α) zugeordnete Einstellwert P gefunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung (11), der Komparator (6) und die Steuereinrichtung (8) auf dem Halbleitersubstrat monolithisch integriert sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstell­ einrichtung (11) digital ansteuerbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung (11) eine Widerstandskette (7, 7′) aufweist, deren Widerstände so ausgebildet und in Reihe geschaltet sind, daß für einen Einstellwert P ein Ausgangs­ signal (a, a′, b, b′) abgreifbar ist, welches dem dem Einstellwert P zugeordneten Funktionswert w der Funktion f entspricht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallsensoren (1, 2) so angeordnet sind, daß das erste Meßsignal (x) ein Sinussignal und das zweite Meßsignal (y) ein Cosinussignal ist, jeder Magnetfeldsensor (1, 2) mit einem Inversionselement (3, 4) zum Invertieren des jeweiligen Meßsignals (x, y) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen den Hallsensoren (1, 2) und der Widerstandskette (7, 7′) ein Signaltausch­ element (5) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandskette (7, 7′) so ausgebildet ist, daß das abgreifbare Ausgangssignal dem mit einer Tangensfunktion multiplizierten Meßsignal (x) entspricht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Komparator (6) zur Differenzbildung das Ausgangssignal der Widerstandskette (7, 7′) und das andere Meßsignal (y) zugeführt werden.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung (11) eine mit wenigstens einem Meßsignal (x = B·f(α)) verbundene Betragswiderstandskette (9, 9′) aufweist, die sie so ausgebildet ist, daß für jeden Einstellwert P des Winkelbereichs ein eindeutiges Betragssignal abgreifbar ist, welches dem mit dem Kehrwert der Funktion f multiplizierten Meßsignal (x=B· f(α)) an der Stelle des Einstellwertes P entspricht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Betragssignal dem mit dem Kehrwert der Cosinusfunktion multiplizierten Meßsignal (x = B·f(α)) an der Stelle des Einstellwertes P entspricht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet, daß das Betrags­ signal und ein Referenzsignal zur Differenzbildung auf einen Komparator gegeben werden.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Meßsignal an einem Ende und das zweite Meßsignal an einem anderen Ende der Widerstandskette (7, 7′) zugeführt werden, und das Ausgangssignal der Wider­ standskette (7, 7′) dem Komparator (6) mit einem Referenzsignal zugeführt wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Meßsignal an einem Ende und das zweite Meßsignal an einem anderen Ende der Betragswider­ standskette (9, 9′) zugeführt wird.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Steuereinrichtung (8) aufgrund des Ausgangssignals des Komparators (6) die Widerstandskette (7, 7′) bzw. die Betragswiderstandskette (9, 9′), die Inversionselemente (3, 4) und das Signaltauschelement (5) gesteuert werden, und die Steuer­ einrichtung (8) einen Ausgang zur Ausgabe eines den Drehwinkel (α) darstellenden Signals aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter und ein vierter Hallsensor vorgesehen ist, wobei der dritte Hallsensor zu dem ersten (1) und der vierte Hallsensor zu dem zweiten (2) antiparallel geschaltet ist und die Hallsensoren jeweils um 90° versetzt zueinander angeordnet sind, so daß sie zusammen eine quadratische Anordnung bilden, wobei die antiparallelgeschalteten Hallsensoren um 180° zueinander versetzt angeordnet sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüchen 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanschlüsse und die Signalversorgungsanschlüsse des jeweiligen Hallsensors in­ nerhalb eines Meßzyklus orthogonal umschaltbar sind, und die Meßsignale von zwei verschiedenen Schaltzuständen zur Signalauswertung miteinander verglichen werden.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüchen 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompensationseinrichtung zur Kompensation des Offsets des jeweiligen Hallsensors und der Vorrichtung vorgesehen ist.