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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung.
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Zur kontaktlosen Detektion von Positionen und Winkeln finden Magnetfeldsensoren, insbesondere Hallsensoren, eine weite Verwendung. Grundsätzlich haben sich zwei Konfigurationen durchgesetzt: Eine bipolare Anordnung und eine unipolare Anordnung. Bei der bipolaren Anordnung wird beispielsweise eine Magnetfeldquelle, wie etwa ein handelsüblicher Magnet, entlang einer Richtung x bewegt, die sich parallel zur Fläche des Magnetfeldsensors erstreckt. Bei der unipolaren Konfiguration wird eine solche Magnetfeldquelle entlang einer zur Fläche des Magnetfeldsensors senkrechten Richtung bewegt.
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1A zeigt eine typische bipolare Anordnung von Magnetfeldsensoren SM1, SM2, SM3 und einer bewegbaren Magnetfeldquelle N, S. Ein Sensorchip IC erstreckt sich in einer Ebene mit einer Bewegungsachse X. Der Sensorchip IC umfasst einen ersten, zweiten, dritten Magnetfeldsensor SM1, SM2, SM3, die entlang der Bewegungsachse X angeordnet sind. Über dem Sensorchip IC angeordnet befindet sich die Magnetfeldquelle N, S mit einem Nordpol N und einem Südpol S, die sich entlang der Bewegungsachse X bewegen lässt.
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1B zeigt die Sensoranordnung aus 1A von der Seite betrachtet. In der Regel befindet sich die Magnetfeldquelle N, S in solchen Anordnungen in einem gewissen Abstand zum Sensorchip IC. Dieser Abstand wird üblicherweise als Air-gap bezeichnet. Dieser Abstand, wie auch andere Parameter wie die Magnetisierung der verwendeten Magneten, lassen sich für eine präzise Messung bei vielen Magnetfeldsensoren durch Kalibrierungsroutinen berücksichtigen.
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1C zeigt einen charakteristischen Magnetfeldverlauf, wenn die Magnetfeldquelle N, S entlang der Bewegungsachse X bewegt wird. In der Figur ist die Magnetfeldstärke B aufgetragen gegen die Bewegungsachse X. Der dargestellte funktionale Zusammenhang entspricht beispielsweise dem Signal eines der Magnetfeldsensoren SM1, SM2 und SM3 gemessen mit der Sensoranordnung aus den 1A und 1B. Das kombinierte Signal wird einer Signalverarbeitung zugeführt, die Positionen und Winkel daraus ableitet.
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Nicht gezeigt ist die unipolare Anordnung. Dazu würde die Magnetfeldquelle N, S um 90° gedreht und mit einem der Pole N, S entlang einer Richtung Z, die senkrecht zum Sensorchip verläuft, bewegt.
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Sowohl der unipolaren und bipolaren Methode ist gemeinsam, dass sie für die Bewegung der Magnetfeldquelle N, S eine geeignete Endposition definieren müssen. Eine solche Endposition ist in der Regel dann erreicht, wenn durch die Bewegung der Magnetfeldquelle N, S eine bestimmte vorher definierte Magnetfeldstärke oder ein Schwellenwert erreicht werden. Damit wird die Endposition jedoch anfällig für magnetische Felder bzw. Störfelder, wie sie beispielsweise in der Umgebung des Magneten oder elektromagnetische Quellen im Rahmen ihrer jeweiligen Anwendungen häufig auftreten.
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Um solche Störfelder zu berücksichtigen, wurden differentielle Techniken vorgeschlagen, die beispielsweise mehrere Hallelemente umfassen und die entsprechenden Sensorsignale der einzelnen Elemente so miteinander verknüpfen, dass sie ersten und/oder zweiten Ableitungen des Magnetfeldes entsprechen. Ein typisches Beispiel eines solchen differentiellen Detektors ist ein ratiometrischer Sinus/Kosinus-Encoder, wie er für mehrpolige Magnetstreifen verwendet wird. Bei solchen Detektoren wird in der Regel ein Verhältnis der Sinus- und Kosinus-Funktion gebildet und ein Winkel beziehungsweise eine Position abgeleitet. Dabei wird ein Magnetfeldsensor im Folgenden ratiometrisch genannt, wenn sich ein Ausgangssignal aus einem Verhältnis von Eingangsgrößen mit der gleichen Störungsüberlagerung ableiten lässt. Im vorliegenden Fall wird der gemessene Winkel durch ein Verhältnis aus Sinus- und Kosinusfunktionen der Sensorsignale gebildet. Beide Funktionen sind beispielsweise abhängig von einem Luftspalt, der jedoch für beide Größen identisch ist. Durch die Verhältnisbildung wird das Ausgangssignal unabhängig von solchen Einflüssen bzw. ratiometrisch.
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Die erwähnten Detektoren haben jedoch den Nachteil, dass sie nur ein Signal liefern, solange sich eine Magnetfeldquelle über dem Sensor befindet. Wird dieser jedoch entfernt, so ist das Ausgangssignal solcher Detektoren unbestimmt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sensoranordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung anzugeben, das in geringerem Maße von magnetischen Störfeldern abhängig ist und ein wohl definiertes Ausgangssignal bereitstellt.
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Diese Aufgabe wird mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung umfasst einen ersten, einen zweiten und einen dritten Magnetfeldsensor, die entlang einer linienförmigen Hauptrichtung angeordnet sind. Ferner umfasst die Sensoranordnung ein erstes Kombinationsmittel, das mit dem ersten und zweiten Magnetfeldsensor verbunden ist. Ein zweites Kombinationsmittel ist mit dem ersten, zweiten und dritten Magnetfeldsensor verbunden. Eine Auswerteeinheit ist mit dem ersten und zweiten Kombinationsmittel verbunden und dazu eingerichtet, eine Endposition einer relativ zur Sensoranordnung bewegbaren Magnetfeldquelle in Abhängigkeit vom ersten und zweiten Kanalsignal abzuleiten.
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Die Sensoranordnung wird bevorzugt mit einer bewegbaren Magnetquelle, die entlang einer Bewegungsachse relativ zur Sensoranordnung bewegbar ist, betrieben. In Abhängigkeit von der genauen Position entlang der Bewegungsachse generieren der erste, der zweite und der dritte Magnetfeldsensor entsprechend die Signale des ersten, des zweiten und des dritten Magnetfeldsensors. Das erste Kombinationsmittel leitet aus den Signalen des ersten und zweiten Magnetfeldsensors ein erstes Kanalsignal ab. Das zweite Kombinationsmittel leitet aus den Signalen des ersten, zweiten und dritten Magnetfeldsensors ein zweites Kanalsignal ab. Die Auswerteeinheit kombiniert das erste und zweite Kanalsignal und detektiert auf diese Weise, ob die Endposition der Bewegung der Magnetfeldquelle gegebenenfalls erreicht ist.
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Vorteilhafterweise wird es durch Verwendung des ersten und zweiten Kombinationsmittels möglich, zunächst auf die Sensoranordnung wirkende magnetische Störfelder aus der Umgebung zu kompensieren und so wohl definierte erste und zweite Kanalsignale durch die Ausgabeeinheit zu generieren. In diesem Zusammenhang bedeutet wohl definiert, dass die Endposition der relativ zur Sensoranordnung bewegbaren Magnetfeldquelle trotz meist wechselnder Störfelder bestimmt werden kann. Zudem zeigt der Sensor auch mit einem charakteristischen Signal an, wenn die Magnetfeldquelle entfernt wurde.
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Die Magnetfeldsensoren sind entlang der linienförmigen Hauptrichtung angeordnet. Dabei können sie beispielsweise entlang einer Geraden angeordnet sein. Dies ist jedoch nicht zwingend und die Magnetfeldsensoren können ebenso entlang einer gekrümmten Linie oder in einem Sensorarray angeordnet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das erste Kombinationsmittel dazu eingerichtet, das erste Kanalsignal als Differenz der Signale des ersten und zweiten Magnetfeldsensors zu bestimmen. Das zweite Kombinationsmittel ist dazu eingerichtet, das zweite Kanalsignal als Differenz der Summe der Signale des ersten und zweiten und des Signals des dritten Magnetfeldsensors zu bestimmen.
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Liegt zusätzlich zur mit der Sensoranordnung bewegbaren Magnetfeldquelle ein weiteres, externes Störfeld an der Sensoranordnung an, so kann dies als entsprechendes Gleichsignal durch die Differenzbildung im ersten und zweiten Kanalsignal berücksichtigt werden. Auf diese Weise ist es vorteilhafterweise möglich, den Einfluss externer Magnetstörquellen zu kompensieren. Bevorzugt wird das Signal des zweiten Magnetfeldsensors verdoppelt und in der Differenz berücksichtigt.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Auswerteeinheit ein erstes und zweites Vergleichsmittel. Dabei vergleichen die Vergleichsmittel jeweils das erste und zweite Kanalsignal mit einem ersten beziehungsweise einem zweiten einstellbaren Schwellenwert. Ferner generieren die Vergleichsmittel ein Endpositionssignal in Abhängigkeit des Vergleichs des ersten und zweiten Kanalsignals mit dem ersten beziehungsweise zweiten Schwellenwert.
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Sowohl das erste, wie auch das zweite Kanalsignal sind für alle einstellbaren Positionen entlang der Bewegungsachse der bewegbaren Magnetfeldquelle wohl definiert. Durch den Vergleich mit dem ersten und dem zweiten einstellbaren Schwellenwert kann vorteilhafterweise eine Endpositionsbestimmung realisiert werden, die für alle möglichen Positionen entlang der Bewegungsasche der Magnetfeldquelle wohl definiert ist. Dies ist auch dann der Fall, wenn die Magnetfeldquelle nicht vorhanden ist. Die beiden Schwellenwerte und ihr Vergleich führen dazu, dass trotzdem ein eindeutiges Signal generiert wird.
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In einer weiteren Ausführungsform umfassen das erste und zweite Vergleichsmittel einen ersten beziehungsweise einen zweiten Komparator, wobei dem ersten Komparator das erste Kanalsignal und der erste Schwellenwert und dem zweiten Komparator das zweite Kanalsignal und der zweite Schwellenwert zugeführt werden. Eine Logik, die mit je einem Ausgang des ersten und einem des zweiten Komparators verbunden ist, generiert das Endpositionssignal in Abhängigkeit des Vergleichs des ersten und zweiten Kanalsignals mit dem ersten und zweiten Schwellenwert.
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Der Vergleich des ersten und zweiten Schwellenwertes mit dem ersten und zweiten Kanalsignal lässt sich vorteilhafterweise mit den Komparatoren realisieren. Auf diese Weise ist es auch möglich, die Sensoranordnung platz- und stromsparend auf einem integrierten Schaltkreis zu implementieren.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst ein Funktionsbaustein das erste und zweite Vergleichsmittel. Dem Funktionsbaustein wird das erste und zweite Kanalsignal zugeführt und der Funktionsbaustein generiert das Endpositionssignal in Abhängigkeit des Vergleichs des ersten und zweiten Kanalsignals mit dem ersten beziehungsweise zweiten Schwellenwert.
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Mit Hilfe des Funktionsbausteins lassen sich verschiedene funktionale Verknüpfungen realisieren. So kann ein solcher Baustein auch das erste und zweite Kombinationsmittel umfassen und auf diese Weise in einem kompakten Bauelement Kombinationsmittel und Auswerteeinrichtung vereinen. Insbesondere sind die Schwellenwerte durch einen Benutzer flexibel einstellbar und können an die gewünschte Anwendung angepasst werden. Des Weiteren können zusammen mit dem Funktionsbaustein digitale Komponenten für die Sensoranordnung Verwendung finden. Vorteilhafterweise ist es möglich, eine digitale Signalverarbeitung zu implementieren.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der zweite Schwellenwert durch das erste Kanalsignal und Multiplikation mit einem Faktor bestimmt.
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Über die Kopplung des zweiten Schwellenwertes mit dem ersten Kanalsignal kann die Sensoranordnung ratiometrisch betrieben werden und beispielsweise implizit ein Luftspalt (Air-gap) zwischen Magnetfeldquelle und Sensor oder eine Magnetisierung der mit der Sensoranordnung verwendeten Magnete berücksichtigt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform sind der erste, zweite und dritte Magnetfeldsensor so entlang der linienförmigen Hauptrichtung angeordnet sind, dass der dritte Magnetfeldsensor zwischen dem ersten und zweiten Magnetfeldsensor ist.
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In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung ein Erzeugen von Sensorsignalen mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Magnetfeldsensor, die entlang einer linienförmigen Hauptrichtung angeordnet sind. Ferner umfasst das Verfahren ein Kombinieren der Sensorsignale zu einem ersten Kanalsignal, sowie ein Kombinieren der Sensorsignale zu einem zweiten Kanalsignal. Ein Endpositionssignal einer relativ zur Sensoranordnung bewegbaren Magnetfeldquelle wird in Abhängigkeit des ersten und des zweiten Kanalsignals erzeugt und ausgewertet.
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Vorteilhafterweise ist es möglich durch Kombination der Sensorsignale externe Störfeldquellen, die an den drei Magnetfeldsensoren durch Umgebungseinflüsse anliegen, zu berücksichtigen. Durch das Auswerten des Endpositionssignals in Abhängigkeit des ersten und zweiten Kanalsignals ist es ferner möglich, ein wohl definiertes Endpositionssignal zu erhalten, dass auch dann einen charakteristischen Wert liefert, wenn keine Magnetfeldquelle an der Sensoranordnung vorhanden ist.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Kombinieren der Sensorsignale zum ersten Kanalsignal das Bilden einer Differenz der Signale des ersten und zweiten Magnetfeldsensors und das Kombinieren der Sensorsignale zum zweiten Kanalsignal erfolgt mittels Addieren der Signale des ersten und zweiten Magnetfeldsensors und Subtrahieren des Signals des dritten Magnetfeldsensors.
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Externe magnetische Störfelder führen an der Sensoranordnung zu einem entsprechenden Gleichsignal. Durch die Differenzbildung im ersten und zweiten Kanalsignal kann dies berücksichtigt werden. Auf diese Weise ist es vorteilhafterweise möglich den Einfluss externer Magnetstörquellen zu kompensieren. Bevorzugt wird das Signal des zweiten Magnetfeldsensors verdoppelt und in der Differenz berücksichtigt.
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In einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Erzeugen und Auswerten des Endpositionssignals in Abhängigkeit je eines Vergleichs des ersten beziehungsweise zweiten Kanalsignals mit einem einstellbaren ersten und zweiten Schwellenwert.
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Sowohl das erste, wie auch das zweite Kanalsignal sind für alle einstellbaren Positionen entlang der Bewegungsachse der bewegbaren Magnetfeldquelle wohl definiert. Durch den Vergleich mit dem ersten und dem zweiten einstellbaren Schwellenwert kann vorteilhafterweise eine Endpositionsbestimmung realisiert werden, die sowohl für alle möglichen Positionen entlang der Bewegungsachse der Magnetfeldquelle wohl definiert ist. Dies ist auch dann der Fall, wenn die Magnetfeldquelle nicht vorhanden ist. Die beiden Schwellenwerte und ihr Vergleich führen dazu, dass ein eindeutiges Signal generiert wird.
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In einer weiteren Ausführungsform wird der zweite Schwellenwert durch das ersten Kanalsignal und Multiplikation mit einem Faktor bestimmt.
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Über die Kopplung des zweiten Schwellenwertes mit dem ersten Kanalsignal kann das Verfahren ratiometrisch erfolgen und so implizit einen Luftspalt (Air-gap) zwischen Magnetfeldquelle und Sensoranordnung oder auch andere Parameter, wie eine Magnetisierung der verwendeten Magneten, berücksichtigen.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Elemente tragen gleiche Bezugszeichen. Insoweit sich Bauelemente in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt.
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Es zeigen:
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1A eine Aufsicht einer bipolaren Magnetfeldsensoranordnung,
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1B eine Seitenansicht einer bipolaren Magnetfeldsensoranordnung,
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1C einen charakteristischen Magnetfeldverlauf gemessen mit der Magnetfeldsensoranordnung aus den 1A und 1B.
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2 ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung nach 2 nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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4 ein weiteres, alternatives Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip, und
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5 einen beispielhaften Verlauf von Kanalsignalen einer Sensoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
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2 zeigt eine Sensoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Sensoranordnung umfasst einen ersten, zweiten und dritten Magnetfeldsensor SM1, SM2, SM3. Vorzugsweise sind diese Magnetfeldsensoren SM1, SM2, SM3 als Hallelemente ausgeführt. Der erste, zweite und dritte Magnetfeldsensor SM1, SM2, SM3 sind jeweils über einen ersten, zweiten und dritten Schalter SW1, SW2, SW3 an einen ersten, zweiten und dritten Signalverstärker A1, A2, A3 gekoppelt. Jeder dieser Signalverstärker A1, A2, A3 ist mit einem ersten Kombinationsmittel K1 verbunden. Das erste Kombinationsmittel K1 weist dabei zwei positive Eingänge + auf, die mit dem ersten Signalverstärker A1 und dem zweiten Signalverstärker A2 verbunden sind. Ein negativer Eingang – des ersten Kombinationsmittels K1 ist mit dem dritten Signalverstärker A3 verbunden. Der erste und zweite Signalverstärker A1, A2 sind zudem mit einem zweiten Kombinationsmittel K2 gekoppelt. Das zweite Kombinationsmittel K2 weist dabei einen negativen Eingang – auf, der mit dem zweiten Signalverstärker A2 verbunden ist und einen positiven Eingang +, der mit dem ersten Signalverstärker A1 verbunden ist. Das erste Kombinationsmittel ist zudem über einen Ausgang mit einem ersten Demodulator DM1 verbunden, das zweite Kombinationsmittel K2 ist über einen Ausgang mit einem zweiten Demodulator DM2 verbunden.
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Ein erster Komparator Comp1 weist zwei Eingänge auf, wobei ein Eingang mit dem ersten Demodulator DM1 verbunden ist und an dem zweiten Eingang ein erster Schwellenwert TH1 anliegt. Ein zweiter Komparator Comp2 weist ebenfalls zwei Eingänge auf, wobei ein erster Eingang mit dem zweiten Demodulator DM2 verbunden ist und an einem zweiten Eingang ein zweiter Schwellenwert TH2 anliegt. Ausgänge des ersten Komparators und zweiten Komparators Comp1, Comp2 werden über eine Logik LOG zusammengeführt, an deren Ausgang wiederum ein Endpositionssignal EndOut bereitgestellt wird.
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Der erste, zweite und dritte Magnetfeldsensor SM1, SM2, SM3 generieren ein erstes, zweites und drittes Signal S1, S2, S3, das beispielsweise abhängig ist von der Position einer relativ zur Sensoranordnung entlang einer Bewegungsachse X bewegbaren Magnetfeldquelle N, S. Diese Signale sind in der Regel mit einem Offset behaftet. Hier sind zwei Offset-Quellen zu unterscheiden. Ein interner Offset tritt auch ohne äußeres Magnetfeld beispielsweise durch Temperatur- und Materialschwankungen in den verwendeten Magnetfeldsensoren selbst auf. Solch ein Offset ist beispielsweise bei Hallelementen bekannt und Gegenstand zahlreicher Methoden und Maßnahmen ihn zu kompensieren. So ist es für Hallelemente bekannt, den internen Offset mit einer Technik zu kompensieren, die als Current Spinning bekannt ist.
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Mit Hilfe der Schalter SW1, SW2, SW3 wird ein Current Spinning realisiert. Die Schalter SW1, SW2, SW3 umfassen alle dazu notwendigen Komponenten und werden hier nicht weiter diskutiert. Durch wechselndes Umschalten der Elektroden der Magnetfeldsensoren werden beispielsweise Hallströme in ihrer Richtung geändert und die Signale S1, S2, S3 der Magnetfeldsensoren SM1, SM2, SM3 moduliert. Die Kompensation des internen Offset der Magnetsensoren SM1, Sm2, SM3 erfolgt dann durch Demodulation der modulierten Signale in den Demodulatoren DM1, DM2. Grundsätzlich sind unterschiedliche Implementierungen des Current Spinning möglich. Beispielsweise können die verwendeten Magnetfeldsensoren unterschiedlich viele Elektroden aufweisen. Das Current Spinning kann so durch Umschalten von vier, sechs oder mehreren Elektroden erfolgen.
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Eine zweite Offsetkompensation betrifft externe Einflüsse, wie magnetische Störfelder, wie sie in zahlreichen Anwendungen auftreten können. Dazu werden zunächst die entsprechend modifizierten ersten, zweiten und dritten Signale S1, S2, S3 jeweils Signalverstärkern A1, A2, A3 zugeführt. Vorzugsweise verstärken diese Signalverstärker A1, A2, A3 die Signale S1, S2, S3 zu einem Strom, wobei bevorzugt das dritte Signal S3 des dritten Magnetfeldsensors SM3 verdoppelt wird. Das zweite Kombinationsmittel bildet dann die Differenz der Signale S1, S2, S3 gemäß modCH1 = S1 + S3 – 2·S2, wobei modCH1 ein moduliertes erstes Kanalsignal bezeichnet. Dieses modulierte erste Kanalsignal wird dann dem ersten Demodulator DM1 zugeführt und zu einem ersten Kanalsignal CH1 demoduliert.
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Des Weiteren werden das modifizierte erste und zweite Signal S1, S2 mittels des zweiten Kombinationsmittels K2 kombiniert und entsprechend dem ersten Demodulator DM2 zugeführt und zu einem zweiten Kanalsignal CH2 demoduliert. Auf diese Weise sind das erste und zweite Kanalsignal CH1, CH2 von den beiden erwähnten Offseteinflüssen bereinigt.
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Das erste und zweite Kanalsignal CH1, CH2 werden dann dem ersten Komparator Comp1 beziehungsweise dem zweiten Komparator Comp2 zugeführt. Der erste und zweite Komparator Comp1, Comp2 vergleichen dann das erste und zweite Kanalsignal CH1, CH2 mit einem ersten Schwellenwert TH1 beziehungsweise einem zweiten Schwellenwert TH2. Das Ergebnis dieses Vergleichs wird einer Logik LOG beispielsweise einem Und-Gatter zugeführt. Liegen beispielsweise sowohl das erste Kanalsignal und das zweite Kanalsignal CH1, CH2 über ihren entsprechenden ersten und zweiten Schwellenwerten TH1, TH2 wird ein charakteristisches Endpositionssignal EndOut generiert.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Sensoranordnung nach 2 nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Hier ist der zweite Schwellenwert TH2 über einen Multiplikator Mult mit dem ersten Kanalsignal CH1 gekoppelt.
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Über die Kopplung des zweiten Schwellenwertes TH2 mit dem ersten Kanalsignal CH1 kann die Sensoranordnung ratiometrisch betrieben werden. So ist es beispielsweise möglich, implizit einen Luftspalt (Air-gap) zwischen Magnetfeldquelle und Sensoranordnung oder auch andere Parameter, wie eine Magnetisierung der verwendeten Magnete zu berücksichtigen. Bei Magnetfeldsensoren SM1, SM2, SM3, wie Hall-Elementen sind deren Signale S1, S2, S3 proportional zu einer Magnetfeldstärke B. Da sowohl das erste, wie das zweite Kanalsignal CH1, CH2 einfache Summen der Signale S1, S2, S3 darstellen, sind auch diese proportional zur Magnetfeldstärke B. Die Verknüpfung des zweiten Schwellenwertes TH2 mit dem ersten Kanalsignal CH1 mittels des Multiplikationsfaktors k stellt gewissermaßen eine Verhältnisbildung der Schwellenwerte dar und der zweite Schwellenwert TH2 wird ratiometrisch zum ersten Schwellenwert TH1. Vorteilhafterweise wird die Sensoranordnung so weitestgehend unabhängig von Parametern wie einem Luftspalt oder der Magnetisierung der verwendeten Magnete, weil diese Größen durch die Verhältnisbildung aus der Signalverarbeitung herausfallen. Durch geeignete Wahl des Multiplikationsfaktors k kann ein Benutzer zudem eine Feineinstellung der Endposition der Sensoranordnung vornehmen.
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4 zeigt eine abgewandelte Sensoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die hier gezeigte Implementierung entspricht einer digitalen Realisierung der Current Spinning Methode.
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Der erste, zweite und dritte Schalter SW1, SW2, SW3 werden hier auf einen einzigen Signalverstärker A zugeführt. Dieser ist über eine dritte Kombinationseinrichtung K3 mit einem Analog-Digital-Konverter ADC gekoppelt. Dieser Analog-Digital-Konverter ADC ist sowohl mit einem weiteren Kombinationsmittel K1, K2, wie auch einer Offsetkompensation Off verbunden. Die Offsetkompensation Off ist über eine Reihenschaltung aus einem Integrator Int, einem Register Reg und einem Digital-Analog-Konverter DAC mit dem dritten Kombinationsmittel K3 gekoppelt. Eine Kontrolleinheit Cont ist zwischen den Schaltern SW1, SW2, SW3 und dem Register Reg geschaltet. Das Kombinationsmittel K1, K2 ist mit einem Funktionsbaustein Fkt verbunden. Der Funktionsbaustein Fkt stellt an einem Ausgang das Endpositionssignal EndOut zur Verfügung.
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Über die Kontrolleinheit Cont werden die Schalter SW1, SW2, SW3 gesteuert und sukzessive jeweils der erste, zweite oder dritte Magnetfeldsensor SM1, SM2, SM3 mit dem Signalverstärker A verbunden. Zur Kompensation eines internen Offset werden durch wechselndes Umschalten der Elektroden der Magnetfeldsensoren SM1, SM2, SM3 für jeden Magnetfeldsensor SM1, Sm2, SM3 beispielsweise zwei Signale Vph1, Vph2 generiert.
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Über das dritte Kombinationsmittel K3 werden diese Signale dem Analog-Digital-Konverter ADC zugeführt und dort in digitale Signale umgewandelt. Aus den Signalen Vph1, Vph2 wird dann in der Offsetkompensation Off für jeden der Magnetfeldsensoren SM1, SM2, SM3 ein Offset bestimmt: Offset = Vph1 + Vph2.
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Dieser wird über den Integrator Int in ein Register Reg geschrieben. So wird ein individueller Offset für jeden der Magnetfeldsensoren SM1, SM2, SM3 abgelegt. Über die Kontrolleinheit Cont wird dabei das Register Reg geeignet indiziert. Die Kontrolleinheit Cont steuert weiterhin, welcher der Magnetfeldsensoren SM1, SM2, SM3 mit dem Signalverstärker A verbunden wird. Entsprechend des gewählten Magnetfeldsensors SM1, SM2, SM3 wird über den Digital-Analog-Wandler DAC der im Register Reg abgelegte Offset dem dritten Kombinationsmittel K3 zurückgeführt und so kompensiert.
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Die Offsetkompensation infolge externer Störfelder erfolgt mit dem Kombinationsmittel K1, K2, sowie des Funktionsbausteins Fkt. Im Kombinationsmittel K1, K2 werden zunächst die Signale Vph1 und Vph2 der einzelnen Magnetfeldsensoren SM1, SM2, SM3 subtrahiert und das erste und zweite Kanalsignal CH1, CH2 generiert: CH1 = S1 – S2 CH2 = S1 + S2 – 2·S3 dabei bezeichnen S1, S2, S3 die jeweiligen Sensorsignale des ersten, zweiten und dritten Magnetfeldsensors SM1, SM2, SM3. Jedes dieser Signale ist schon (intern) Offset-korrigiert und ergibt sich jeweils aus den Signalen Vph1, Vph2 des entsprechenden Sensors zu Sn = Vph1(n) – Vph2(n), wobei der Index n den jeweiligen Magnetfeldsensor SM1, SM2, SM3 repräsentiert.
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Durch digitale und funktionale Verknüpfung im Funktionsbaustein Fkt wird das Endpositionssignal EndOut generiert und am Ausgang des Funktionsbausteins Fkt als Endpositionssignal EndOut bereitgestellt. Beispielsweise wird das Endpositionssignal EndOut bestimmt gemäß EndOut ∝ (CH2 > TH2) ∧ (CH1 > TH1).
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5 zeigt einen charakteristischen Signalverlauf einer der Sensoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Abgebildet ist die magnetische Feldstärke B als Funktion der Bewegungsrichtung X. Die mit CH1 markierte Linie zeigt den funktionalen Verlauf des ersten Kanalsignals CH1, das mit CH2 indizierte Signal zeigt den Verlauf des zweiten Kanalsignals CH2 an. Eingetragen sind jeweils auch der erste und zweite Schwellenwert TH1, TH2.
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Aus dem zweiten Kanalsignal CH2 der Sensoranordnung lässt sich die Position der Magnetfeldquelle N, S entlang der Bewegungsachse X bestimmen. Mit dem zweiten Schwellenwert TH2 wird eine Endposition festgelegt. Diese ist erreicht, wenn durch die Bewegung der Magnetfeldquelle N, S das zweite Kanalsignal CH2 unter den zweiten Schwellenwert TH2 fällt. Dabei können negative Werte des zweiten Kanalsignals CH2 geeignet berücksichtigt werden, so dass auch in diesen Fällen eine korrekte Position bzw. Endposition angezeigt wird.
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Das erste Kanalsignal CH1 stellt eine vorteilhafte Ergänzung dar. Mit der beschriebenen Sensoranordnung bzw. des zweiten Kanalsignals CH2 würde eine Position der Magnetfeldquelle N, S Nahe oder im Nulldurchgang des zweiten Kanalsignals CH2 anzeigen, dass eine Endposition erreicht wurde. Befindet sich jedoch, wie in diesem Bereich, das erste Kanalsignal CH1 über dem ersten Schwellenwert TH1, so ist die Endposition noch nicht erreicht und wird korrekt von der Sensoranordnung detektiert. Dies ist auch dann der Fall, wenn die Magnetfeldquelle N, S entfernt ist. Dann sind beide Kanalsignale CH1, CH2 auf einem charakteristischen Wert und wohl definiert. Insbesondere wird keine Rechenoperation wie eine arctan-Funktion zur Positionsbestimmung herangezogen. Diese wäre ohne Magnetfeldquelle N, S unbestimmt, weil sie zu einer nicht definierten Division durch Null führen würde.
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Das Endpositionssignal EndOut zeigt das Erreichen der Endposition an, wenn das erste und zweite Kanalsignal CH1, CH2 beide unter ihre entsprechenden Schwellenwerte TH1, TH2 fallen. Der erste und zweite Schwellenwert TH1, TH2 werden vorteilhafterweise durch einen Benutzer entsprechend der in einer Anwendung auftretender magnetischer Störfelder gewählt.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Signalverstärker
- A1
- erster Signalverstärker
- A2
- zweiter Signalverstärker
- A3
- dritter Signalverstärker
- ADC
- Analog-Digital Konverter
- B
- Magnetfeldstärke
- CH1
- erstes Kanalsignal
- CH2
- zweites Kanalsignal
- Comp1
- erster Komparator
- Comp2
- zweiter Komparator
- DAC
- Digital-Analog Konverter
- DM1
- erster Demodulator
- DM2
- zweiter Demodulator
- EndOut
- Endpositionssignal
- Fkt
- Funktionsbaustein
- IC
- Sensorchip
- Int
- Integrator
- k
- Multiplikationsfaktor
- K1
- erstes Kombinationsmittel
- K2
- zweites Kombinationsmittel
- K3
- drittes Kombinationsmittel
- LOG
- Logik
- modCH1
- moduliertes erstes Kanalsignal
- Mult
- Multiplizierer
- N
- Magnetpol
- n
- Index
- Off
- Offsetkompensation
- Reg
- Register
- S
- Magnetpol
- S1
- Signal des ersten Magnetfeldsensors
- S2
- Signal des zweiten Magnetfeldsensors
- S3
- Signal des dritten Magnetfeldsensors
- SM1
- erster Magnetfeldsensor
- SM2
- zweiter Magnetfeldsensor
- SM3
- dritter Magnetfeldsensor
- SW1
- erster Schalter
- SW2
- zweiter Schalter
- SW3
- dritter Schalter
- TH1
- erster Schwellenwert
- TH2
- zweiter Schwellenwert
- Vph1
- Signal
- Vph2
- Signal
- X
- Bewegungsachse
- +
- positiver Eingang
- –
- negativer Eingang