DE102019121392A1

DE102019121392A1 - Vorrichtung und verfahren zum kalibrieren eines winkelsensors

Info

Publication number: DE102019121392A1
Application number: DE102019121392.4A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Granig
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2019-08-08
Filing date: 2019-08-08
Publication date: 2021-02-11
Also published as: US20210041270A1; CN112344968A

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung (500) zum Kalibrieren eines Winkelsensors (501), umfassend:eine Datenschnittstelle (503; 505) zum Erfassen, für jeden einer Mehrzahl unterschiedlicher Rotationswinkel eines Messobjekts,eines ersten Messwerts eines ersten Sensorelements (502) in Abhängigkeit von einem Magnetfeld am Ort des ersten Sensorelements, das von dem Rotationswinkel des Messobj ekts abhängig ist, undeines zweiten Messwerts eines zweiten Sensorelements (504) in Abhängigkeit einem Magnetfeld am Ort des zweiten Sensorelements, das von dem Rotationswinkel des Messobjekt abhängig ist;einen Prozessor (510), der ausgebildet ist, umeine Mehrzahl von Ellipsenparametern (512) einer Ellipsengleichung basierend auf den erfassten ersten und zweiten Messwerten zu berechnen und, basierend auf den ermittelten Ellipsenparametern (512),erste Kenndaten (AX, OX) eines ersten periodischen Sensorsignals des ersten Sensorelements, zweite Kenndaten (AY, OY) eines zweiten periodischen Sensorsignals des zweiten Sensorelements und einen Phasen-Offset (φ) zwischen dem ersten und zweiten periodischen Sensorsignal zu berechnen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Winkelsensoren und insbesondere eine Kalibrierung von Winkelsensoren.
Hintergrund
Drehwinkelsensoren zum berührungslosen Erfassen von Rotationen kommen beispielsweise in der Automobiltechnik zur Anwendung. Drehwinkelsensoren können beispielsweise mittels Magnetfeldsensoren realisiert werden, die in der Nähe eines rotierenden Messobjekts, wie zum Beispiel einer Welle, platziert sind. Dabei kann ein erster Messwert (X) eines ersten Sensorelements in Abhängigkeit von einem Magnetfeld am Ort des ersten Sensorelements bestimmt werden, welches von einem Drehwinkel α des Messobjekts abhängig ist. Ferner kann ein zweiter Messwert (Y) eines zweiten Sensorelements in Abhängigkeit von einem Magnetfeld am Ort des zweiten Sensorelements bestimmt werden, das von dem Drehwinkel α des Messobjekt abhängig ist. Im Idealfall entsprechen die beiden Messwerte periodischen Signalen in der Form X = A*cos(α) und Y = A*sin(α). Über die bekannte Vorschrift α = atan(Y/X) kann dann auf den Drehwinkel α des Messobjekts geschlossen werden.
In der Praxis lassen sich mechanische Fehlausrichtungen zwischen Sensorelementen und Messobjekt jedoch häufig nicht ganz vermeiden, so dass es zu unterschiedlichen Amplituden, Offsets und Phasenverschiebungen der periodischen Signale X und Y kommt, die wiederum zu fehlerhaften Winkelschätzungen führen können. Einige Ursachen für mechanische Fehlausrichtungen sind x-, y-Verschiebung zwischen Sensorelementen und Messobjekt beziehungsweise Magnet, Luftspaltvariation (z-Verschiebung), Neigung verschiedener Arten (zum Beispiel Paket- bzw. Gehäuseneigung) und/oder Magnetisierungsneigung.
Bisher ist eine Lösung, um ein ausreichendes Fehlerbudget über eine gesamte Lebensdauer einschließlich mechanischer Belastungen und Temperatureinflüsse bereitzustellen, die Anwendung einer EoL-Kalibrierung (EoL = End-of-Line). Dabei kommen häufig sogenannte Mehrpunkt-Kalibrierungsverfahren zum Einsatz, bei denen Abweichungen von Winkelschätzwerten eines Winkelsensors gegenüber mehreren bekannten Referenzwinkeln (Abtastpunkten) festgestellt und festgehalten werden, zum Beispiel in einer Nachschlagetabelle (Lookup-Table, LUT). Daraus können dann Korrekturwerte für die Winkelschätzwerte ermittelt werden. Die Bereitstellung der Referenzwinkel ist jedoch mit zusätzlichem Hardwareaufwand verbunden, zum Beispiel in der Form zusätzlicher, hochgenauer optischer Messgeräte.
Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, Ursachen für Winkelfehler bei Winkelsensoren durch Kalibrierung mit weniger Hardwareaufwand zu kompensieren.
Zusammenfassung
Dies wird gelöst durch Vorrichtungen und Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Kalibrieren eines Winkelsensors vorgeschlagen. Dabei werden für jeden einer Mehrzahl unterschiedlicher Rotationswinkel eines Messobjekts folgende Schritte ausgeführt:

• Erfassen eines ersten Messwerts eines ersten Sensorelements in Abhängigkeit von einem Magnetfeld am Ort des ersten Sensorelements, das von dem Rotationswinkel des Messobjekts abhängig ist und eines zweiten Messwerts eines zweiten Sensorelements in Abhängigkeit von einem Magnetfeld am Ort des zweiten Sensorelements, das von dem Rotationswinkel des Messobjekt abhängig ist,
• Ermitteln einer Mehrzahl von Ellipsenparametern einer Ellipsengleichung basierend auf den erfassten ersten und zweiten Messwerten, und
• basierend auf den ermittelten Ellipsenparametern:
- ◯ Bestimmen von ersten Kenndaten eines ersten periodischen Sensorsignals des ersten Sensorelements
- ◯ Bestimmen von zweiten Kenndaten eines zweiten periodischen Sensorsignals des zweiten Sensorelements, und
- ◯ Bestimmen eines Phasen-Offsets zwischen dem ersten und zweiten periodischen Sensorsignal.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines Winkelsensors vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst eine Datenschnittstelle, die für jeden einer Mehrzahl unterschiedlicher Rotationswinkel eines Messobjekts einen ersten Messwert eines ersten Sensorelements in Abhängigkeit von einem Magnetfeld am Ort des ersten Sensorelements erfasst, das von dem Rotationswinkel des Messobjekts abhängig ist, und einen zweiten Messwert eines zweiten Sensorelements in Abhängigkeit einem Magnetfeld am Ort des zweiten Sensorelements erfasst, das von dem Rotationswinkel des Messobjekt abhängig ist. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Prozessor, der ausgebildet ist, um eine Mehrzahl von Ellipsenparametern einer Ellipsengleichung basierend auf den erfassten ersten und zweiten Messwerten zu berechnen und um basierend auf den ermittelten Ellipsenparametern erste Kenndaten eines ersten periodischen Sensorsignals des ersten Sensorelements, zweite Kenndaten eines zweiten periodischen Sensorsignals des zweiten Sensorelements und einen Phasen-Offset zwischen dem ersten und zweiten periodischen Sensorsignal zu berechnen.
Während eines Kalibriermodus können also basierend auf Messwerten bei unterschiedlichen Rotationswinkeln zunächst Ellipsenparameter ermittelt werden und wiederum basierend darauf Kenndaten der ersten und zweiten periodischen Sensorsignale und ein Phasen-Offset zwischen den beiden Sensorsignalen. Gemäß manchen Ausführungsbeispielen sind dann die ermittelten ersten und zweiten Kenndaten zur Winkelkorrektur in einem dem Kalibriermodus nachgelagerten normalen Betriebsmodus des Winkelsensors verwendbar.
Damit die beiden Messwerte idealerweise periodischen Signalen in der Form X = A*cos(α) und Y = A*sin(α) entsprechen, kann gemäß manchen Ausführungsbeispielen das erste Sensorelement sensitiv für eine erste Richtungskomponente des Magnetfelds (z.B. X-Richtung) und das zweite Sensorelement sensitiv für eine zweite Richtungskomponente des Magnetfelds (z.B. Y-Richtung) sein, wobei die zweite Richtungskomponente senkrecht zu der ersten Richtungskomponente ist. Alternativ kann das erste und das zweite Sensorelement sensitiv für dieselbe Richtungskomponente des Magnetfelds sein, wobei eine idealerweise 90° Phasenverschiebung zwischen dem ersten und zweiten Sensorsignal durch Orte der ersten und zweiten Sensorelemente bzw. einen Abstand zwischen den Sensorelementen eingestellt wird. Bei den Sensorelementen kann es sich beispielsweise um Magnetfeldsensorelemente in Form von magnetoresistiven Sensoren oder Hall-Sensoren handeln.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen umfassen die ersten Kenndaten eine erste Amplitude A_X und einen ersten Mittelwert bzw. Offset O_X des ersten periodischen Sensorsignals und die zweiten Kenndaten umfassen eine zweite Amplitude A_Y und einen zweiten Mittelwert bzw. Offset O_Y des zweiten periodischen Sensorsignals. Die beiden Sensorsignale können zusätzlich um entsprechende Phasenwinkel φ_X und φ_Y verschoben sein. $\begin{array}{l} X = A_{X} \cdot cos (α + φ_{X}) + O_{Y} \\ Y = A_{Y} \cdot sin (α + φ_{Y}) + O_{Y} \end{array}$
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen decken die unterschiedlichen Rotationswinkel, bei denen die ersten und zweiten Messwerte erfasst werden, wenigstens eine 360°-Rotation des Messobjekts ab. Während des Kalibriermodus kann das Messobjekt also eine volle 360°-Drehung durchlaufen. Im Falle von n unterschiedlichen Rotationswinkeln, bei denen jeweils erste und zweite Messwerte gemessen werden, können benachbarte Mess-Rotationswinkel beispielsweise 360°/n auseinanderliegen.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen werden die Mehrzahl der ersten und zweiten Messwerte jeweils zeitgleich erfasst. Die zeitgleiche Erfassung stellt sicher, dass die ersten und zweiten Messwerte nicht bei unterschiedlichen Rotationswinkeln erfasst werden, was zu einer fehlerhaften Kalibrierung führen kann.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen werden die Ellipsenparameter der Ellipsengleichung basierend auf der Methode der kleinsten Quadrate ermittelt. Dabei wird zu einer Datenpunktwolke (hier: den Messwerten) eine Ellipse gesucht, die möglichst nahe an den Datenpunkten verläuft.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen weist die Ellipsengleichung die Form $a x^{2} + b x y + c y^{2} + d x + f y + g = 0$
auf. Die Ellipsenparameter a, b, c, d, f, g können gemäß der Methode der kleinsten Fehlerquadrate mittels Gleichung C = (M^TM)^-1M^TZ ermittelt werden, wobei $M = [\begin{matrix} X_{0}^{2} & X_{0} Y_{0} & Y_{0}^{2} & X_{0} & Y_{0} \\ X_{1}^{2} & X_{1} Y_{1} & Y_{1}^{2} & X_{1} & Y_{1} \\ ⋮ & ⋮ & ⋮ & ⋮ & ⋮ \\ X_{n - 1}^{2} & X_{n - 1} Y_{- 1 n} & Y_{n - 1}^{2} & X_{n - 1} & Y_{n - 1} \end{matrix}]$
eine Messwert-Matrix basierend auf der Mehrzahl der ersten und zweiten Messwerte und Z = [1 1 ... 1]^T eine mögliche Ziel-Amplitude der Kalibration bedeutet und einen negativen Wert des Parameters g darstellt. In diesem Fall wird die Ellipse auf den Einheitskreis abgebildet. Aus den Koeffizienten C₀...C_n-1, und der Einheits-Kreis Amplitude, aus welchen sich die Ellipsenparameter ergeben, lassen sich Hilfs-Parameter bestimmen, die zur Ermittlung der ersten Kenndaten des ersten periodischen Sensorsignals und der zweiten Kenndaten des zweiten periodischen Sensorsignals des zweiten Sensorelements sowie des Phasen-Offsets zwischen dem ersten und zweiten periodischen Sensorsignal verwendet werden können.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen wird zur Bestimmung der ersten Amplitude A_X und des ersten Mittelwerts O_X des ersten periodischen Sensorsignals die Ellipsengleichung gemäß x =f(y) umgeformt und die Ableitung dx/dy = 0 gesetzt. Daraus können dann maximale und minimale x-Werte der den ermittelten Ellipsenparametern entsprechenden Ellipse erhalten werden. Entsprechend wird zur Bestimmung der zweiten Amplitude A_Y und des zweiten Mittelwerts O_Y des zweiten periodischen Sensorsignals die Ellipsengleichung gemäß y =f(x) umgeformt und die Ableitung dyldx = 0 gesetzt. Daraus können dann maximale und minimale y-Werte der den ermittelten Ellipsenparametern entsprechenden Ellipse erhalten werden.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen kann der erste Mittelwert O_X basierend auf einer Mittelung der maximalen und minimalen x-Werte der den ermittelten Ellipsenparametern entsprechenden Ellipse und der zweite Mittelwert O_Y basierend auf einer Mittelung der maximalen und minimalen y-Werte der Ellipse ermittelt werden.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen kann die erste Amplitude A_X basierend auf dem maximalen (oder minimalen) x-Wert der Ellipse und dem ersten Mittelwert O_X und die zweite Amplitude A_Y basierend auf dem maximalen (oder minimalen) y-Wert der Ellipse und dem zweiten Mittelwert O_Y ermittelt werden.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen kann der Phasen-Offset φ zwischen dem ersten und zweiten periodischen Sensorsignal gemäß $φ = - a s i n (\frac{y_{A x} - O_{Y}}{A_{Y}})$
ermittelt werden, wobei y_Ax einen y-Wert der Ellipse bei maximalem x-Wert der Ellipse, O_Y den Mittelwert des zweiten Sensorsignals und A_Y die Amplitude des zweiten Sensorsignals bedeuten.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung schlagen also vor, eine Ellipsenanpassungsfunktion zu verwenden, die beliebig verteilte, korrespondierende Komponentenwerte X und Y verwendet. Dazu ist keine Winkelreferenz erforderlich.
Figurenliste
Einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren lediglich beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Magnetfeldsensors;
2 einen Messkreis;
3 einen fehlerbehafteten Messkreis;
4 Ideale Sinus- und Cosinus-Signale im Vergleich zu Signalen mit Amplituden- , Offset- und Phasenabweichungen;
5 eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines Winkelsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
6 ein Verfahren zum Kalibrieren eines Winkelsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Beschreibung
Verschiedene Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren 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 oder ähnliche 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, sofern nicht explizit oder implizit anders definiert. Eine alternative Formulierung für die gleichen Kombinationen ist „zumindest eines von A und B“ oder „A und/oder B“. Das Gleiche gilt, mutatis mutandis, für Kombinationen von mehr als zwei 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, Komponenten und/oder einer Gruppe derselben präzisieren, aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/einer Gruppe derselben ausschließen.
Sofern nicht anderweitig definiert, werden alle Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) hier in ihrer üblichen Bedeutung auf dem Gebiet verwendet, zu dem Beispiele gehören.
1 zeigt eine mögliche Implementierung eines Winkelsensors 100 in Form einer GMR-Messbrücke (GMR = Giant Magneto-Resistance).
Dem Fachmann wird unmittelbar einleuchten, dass durchaus auch andere Konfigurationen als die in 1 gezeigte als Winkelsensor eingesetzt werden können. Alternative Sensoren sind beispielsweise AMR-Sensoren (AMR = Anisotrop Magneto-Resistiv), TMR-Sensoren (AMR = Tunnel Magneto-Resistiv), oder Hall-Sensoren, um nur einige zu nennen.
Drehwinkelsensoren auf der Basis des GMR-Effekts nach dem Spin-Ventilprinzip (Spin-Valve-Prinzip) können im Vergleich zu AMR-Sensoren Vorteile aufweisen. So können Drehwinkelsensoren auf der Basis des GMR-Effekts eine inhärente 360°-Eindeutigkeit aufweisen, wenn eine Brückenanordnung verwendet wird, sowie eine höhere Empfindlichkeit als AMR-Sensoren. Daher kann der Einsatz von Drehwinkelsensoren auf der Basis des GMR-Effekts sowohl Performance-Vorteile als auch Kostenvorteile mit sich bringen. Um eine 360°-Detektion mittels Spin-Ventil-GMR/TMR-Strukturen zu realisieren, können mehrere Schichtsysteme zu zwei Wheatstone'schen Brücken verschaltet werden. Damit kann ein maximales Signal erzielt werden. Dabei weist eine der Brücken Referenzmagnetisierungen auf, die zu Referenzmagnetisierungen der anderen Brücke senkrecht stehen. Innerhalb jeder der beiden Brücke sind die Referenzmagnetisierungen antiparallel angeordnet. Somit liefern beide Brücken vom Drehwinkel eines äußeren Magnetfeldes abhängige sinusförmige Haupt-Signale, die (idealer Weise) zueinander um 90° phasenverschoben sind. Die beiden Haupt-Signale werden im Folgenden auch als Sinus-Hauptsignal und Kosinus-Hauptsignal bezeichnet.
Der Magnetfeldsensor 100 in 1 weist erste Sensorelemente 102 auf, die auf eine erste Vorzugsrichtung 104 ausgerichtet sind, sowie zweite Sensorelemente 103, die auf eine zweite Vormagnetisierungsrichtung 105 ausgerichtet sind. Vier erste Sensorelemente 102 sind zu einer ersten Brückenschaltung zusammengeschaltet. Ebenso sind vier zweite Sensorelemente 103 zu einer zweiten Brückenschaltung zusammengeschaltet. Die erste Messbrücke ist ausgebildet, um eine Komponente der ersten Vorzugsrichtung 104 eines Magnetfeldes zu erfassen, und die zweite Messbrücke ist ausgebildet, um eine zweite Komponente der zweiten Vorzugsrichtung 104 des zu erfassenden Magnetfelds zu erfassen. Die erste Messbrücke ist ausgebildet, um eine erste Brückenspannung Ux 106 zu erzeugen, die der ersten Komponente des Magnetfelds, nämlich der Komponente entlang der ersten Vormagnetisierungsrichtung oder Vorzugsrichtung, entspricht. Die zweite Messbrücke ist ausgebildet zum Erzeugen einer zweiten Brückenspannung U_Y 107, die einer zweiten Komponente, nämlich der Komponente des zu erfassenden Magnetfelds entlang der zweiten Vormagnetisierungsrichtung, entspricht.
Das Prinzip der Drehwinkelmessung basiert darauf, dass ein zweidimensionales Koordinatensystem ausreichend zur Bestimmung eines Winkels ist. Das Messsystem liefert einen X-Wert und einen Y-Wert, bezogen auf einen Ursprung des Koordinatensystems, beispielsweise die in 1 gezeigten Spannungen U_X, U_Y eines Messpunkts. Aus diesem XY-Wertepaar kann mittels eines mikroprozessortauglichen Verfahrens der zugehörige Winkel α des Messpunktes berechnet werden. Liegen nun alle Messwerte U_X, U_Y auf einer Kreisbahn, so beschreibt der errechnete Winkel die absolute Position des Drehwinkels genau. Wird beispielsweise ein Magnet über zwei Magnetsensoren gedreht und ist z. B. ein Sensor in die X-Achse ausgerichtet und der zweite Sensor in die Y-Achse, so wird die Sinus- und Kosinuskomponente der Kreisbewegung detektiert. Über die Argustangensfunktion atan(Y/X) kann auf den Winkel geschlossen werden. Da der Winkel eine Richtung des Messpunktes bezogen auf das Koordinatensystem angibt, kann diese Applikation als Winkelsensor eingesetzt werden.
2 verdeutlicht das Prinzip der Winkelmessung. In einem rechtwinkligen Koordinatensystem werden eine X-Komponente und eine Y-Komponente aufgetragen. Eine erste Komponente 206 einer erfassten Magnetfeldrichtung 208, in diesem Fall die X-Komponente, wird in Richtung einer ersten Achse 211a, in diesem Fall der X-Achse, aufgetragen. Eine zweite Komponente 207 der erfassten Magnetfeldrichtung 208, in diesem Fall die Y-Komponente, wird in Richtung entlang zweiten Achse 211b, in diesem Fall einer Y-Achse, aufgetragen. Aus den, beispielsweise von dem in 1 gezeigten Magnetfeldsensoren, erfassten X- und Y-Komponenten kann ein Winkel α der Magnetfeldrichtung 208 berechnet werden. Der Richtungsvektor der Magnetfeldrichtung 208 entspricht einer Diagonalen eines durch die X-Komponente 206 und die Y-Komponente 207 aufgespannten Rechtecks. Der Winkel α der Magnetfeldrichtung 208 lässt sich somit durch eine Argustangensberechnung aus der X-Komponente 206 und der Y-Komponente 207 berechnen.
Liegen die Messpunkte jedoch nicht mehr auf einer Kreisbahn, sondern auf einer geneigten, verschobenen Ellipsenbahn mit nichtorthogonalen Achsen, so kommt es zu einer Abweichung des errechneten Winkels vom tatsächlichen Winkel einer zu erfassenden Richtung.
Abweichungen von der Orthogonalität zwischen den beiden Messbrückenelementen, Unterschiede in den Messbrückensensitivitäten und unterschiedliche Offsetfehler können zu einer Abweichung von der idealen Kreisbahn führen. Der allgemeine Bahnverlauf ist elliptisch, hat einen verschobenen Mittelpunkt und eine geneigte Achsenlage. Die genannten Einflüsse können beispielsweise alterungs- und temperaturabhängig sein.
Durch die Fertigung und Montage des Winkelsensors können sich ebenfalls Fehler ergeben, die in der Anwendung des Sensorelements wieder eliminiert werden sollten, um eine entsprechend hohe Messgenauigkeit des Winkels zu gewährleisten. Dabei können drei Fehlerarten auftreten.
Ein Offsetfehler bewirkt einen Offset in der X- und/oder Y-Achse. Bedingt durch die Fertigung und Temperaturen im Betrieb ist mit einem Offset zu rechnen. Dies führt zu einer Verschiebung des Messkreises.
Ein Amplitudenfehler bewirkt eine Amplitude in der X- und/oder Y-Achse. Bedingt durch die Fertigung und speziell der Temperatur ist mit einem Amplitudenfehler zu rechnen. Dies führt zu einer Verzerrung des Kreises in eine Ellipse, die jedoch die Hauptachsen noch in der X- oder Y-Achse hat.
Zu einem Winkelfehler zwischen der X- und Y-Komponente kommt es, wenn die Sensoren nicht orthogonal bzw. um 90° positioniert oder die Sensoren nicht exakt gefertigt sind.
Zusammengefasst kann gesagt werden, dass aus der Summe der auftretenden Fehler aus dem darzustellenden Kreis eine allgemeine Ellipse wird, die in jedem beliebigen Winkel um den Nullpunkt verschoben liegen kann.
3 zeigt eine durch Einflüsse bedingte Verzerrung der Kreisbahn zu einer Ellipsenbahn. Eine fehlerbehaftete X-Komponente 306' sowie eine fehlerbehaftete Y-Komponente 307' einer erfassten Magnetfeldrichtung 308' spannen ein Vektordiagramm auf, aus dem sich ein fehlerbehafteter Winkel α' der erfassten Magnetfeldrichtung berechnen lässt. Durch die fehlerbehaftete X-Komponente 306' und die fehlerbehaftete Y-Komponente 307' wird von dem Richtungsvektor 308' kein Kreis um den Ursprung der X-Achse 211a und der Y-Achse 211b beschrieben, sondern eine Ellipse 310' um einen Mittelpunkt einer fehlerbehafteten X-Achse 311a' und einer fehlerbehafteten Y-Achse 311b'. Ein Ursprung 312 des Kreiskoordinatensystems weicht von einem Ursprung 312' des Ellipsenkoordinatensystems ab. Zudem sind die Achsen des Ellipsenkoordinatensystems 311a', 311b' gegenüber den Kreisachsen 211a, 211b gedreht. Die fehlerbehafteten Ellipsenachsen 311a', 311b' können zudem einen von 90° abweichenden Winkel zueinander aufweisen.
4 zeigt neben einem zur einer Ellipse 404 verzerrten Kreis 402 auch die dazugehörigen über einen Winkelbereich von 0° bis 360° aufgetragenen Messwerte der fehlerbehafteten X- und Y-Komponenten 306', 307' im Vergleich zu idealen X- und Y-Komponenten 206, 207.
Die fehlerbehafteten X- und Y-Komponenten 306', 307' können gemäß $X = A_{X} \cdot cos (α + φ_{X}) + O_{Y}$
$Y = A_{Y} \cdot sin (α + φ_{Y}) + O_{Y}$
modelliert werden. Dabei bedeuten A_X und A_Y die jeweiligen Amplituden, O_X und O_Y die jeweiligen Offsets und φ_X und φ_Y die jeweiligen Phasenverschiebungen der Komponentensignale X und Y.
Die vorliegende Offenbarung schlägt nun Vorrichtungen und Verfahren vor, mittels denen die obigen Parameter A_X, A_Y, φ_X, φ_Y, O_X, O_Y der fehlerbehafteten X- und Y-Komponenten geschätzt und zur Winkelkorrektur eingesetzt werden können.
5 zeigt schematisch eine Vorrichtung 500 zum Kalibrieren eines Winkelsensors 501 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die Vorrichtung 500 umfasst eine Datenschnittstelle 503, 505, die für jeden einer Mehrzahl n unterschiedlicher Rotationswinkel α_i(i = 0, ..., n-1) eines Messobjekts (nicht gezeigt) einen ersten Messwert X_i eines ersten Sensorelements 502 in Abhängigkeit von einem Magnetfeld am Ort des ersten Sensorelements 502 erfasst, das von dem Rotationswinkel α_i des Messobjekts abhängig ist. Die Datenschnittstelle erfasst ferner für jeden der Mehrzahl unterschiedlicher Rotationswinkel des Messobjekts einen zweiten Messwert Y_i eines zweiten Sensorelements 504 in Abhängigkeit vom Magnetfeld am Ort des zweiten Sensorelements 504, das von dem Rotationswinkel α_i des Messobjekt abhängig ist. Bei den Sensorelementen 502, 504 kann es sich beispielsweise um Brückenschaltungen magnetoresistiver Sensorelemente ähnlich zu 1 handeln.
Die Vorrichtung 500 umfasst ferner einen Prozessor 510, der ausgebildet ist, um eine Mehrzahl von Ellipsenparametern 512 einer Ellipsengleichung basierend auf den erfassten ersten und zweiten Messwerten X_i, Y_i zu berechnen und um basierend auf den ermittelten Ellipsenparametern 512 erste Kenndaten 514-1 eines ersten fehlerbehafteten periodischen Sensorsignals X' des ersten Sensorelements 502, zweite Kenndaten 514-2 eines zweiten fehlerbehafteten periodischen Sensorsignals Y' des zweiten Sensorelements 504 und einen Phasen-Offset φ zwischen dem ersten und zweiten fehlerbehafteten periodischen Sensorsignal X', Y' zu berechnen.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen weist die Ellipsengleichung die Form einer Quadrik $a x^{2} + b x y + c y^{2} + d x + f y + g = 0$
auf. Die Ellipsenparameter a, b, c, d, f, g, welche den Messwerten X_i, Y_i am besten entsprechen, können beispielsweise mittels Ausgleichungsrechnung, insbesondere mittels der Methode der kleinsten Fehlerquadrate, ermittelt werden.
Dazu können zunächst n Abtastwerte der Komponentensignale $P_{i} = [X_{i}, Y_{i}] i = 0.. (n - 1)$
erfasst werden. Mittels dieser ersten und zweiten Messwerte X_i, Y_i kann eine Beobachtungsmatrix $M = [\begin{matrix} X_{0}^{2} & X_{0} Y_{0} & Y_{0}^{2} & X_{0} & Y_{0} \\ X_{1}^{2} & X_{1} Y_{1} & Y_{1}^{2} & X_{1} & Y_{1} \\ ⋮ & ⋮ & ⋮ & ⋮ & ⋮ \\ X_{n - 1}^{2} & X_{n - 1} Y_{- 1 n} & Y_{n - 1}^{2} & X_{n - 1} & Y_{n - 1} \end{matrix}]$
erstellt werden.
Ausgehend von M C = Z, mit $C = [\begin{matrix} C_{0} \\ C_{1} \\ ⋮ \\ C_{5} \end{matrix}],$
$Z = [\begin{matrix} 1 \\ 1 \\ ⋮ \\ 1 \end{matrix}]$
kann der Vektor C vom Prozessor 510 gemäß $C = {(M^{T} \cdot M)}^{- 1} \cdot M^{T} \cdot Z$
ermittelt werden. Z bedeutet die Ziel-Amplitude der Kalibration und stellt einen negativen Wert des Parameters g. In diesem Ausführungsbeispiel wird diese Ellipse auf den Einheitskreis abgebildet.
Gemäß dem hier präsentierten Ausführungsbeispiel lassen sich die Ellipsenparameter dann aus den Komponenten des Vektors C folgendermaßen bestimmen. $a = C_{0}, b = C_{1} / 2, c = C_{2}, d = C_{3} / 2, f = C_{4} / 2, g = - 1$
Mit den so erhaltenen Ellipsenparametern kann der Prozessor 510 nun die Kenndaten A_x, O_x des ersten fehlerbehafteten periodischen Sensorsignals X des ersten Sensorelements 502, die Kenndaten A_y, G_y des zweiten fehlerbehafteten periodischen Sensorsignals Y des ersten Sensorelements 504, sowie den Phasen-Offset φ = φ_x - φ_y zwischen dem ersten und zweiten fehlerbehafteten periodischen Sensorsignal X', Y' berechnen.
Für die Amplitude A_x des ersten fehlerbehafteten periodischen Sensorsignals X kann die Ellipsengleichung gemäß x = f(y) umgeformt werden und die Ableitung dx/dy = 0 gesetzt werden. Damit kann die y-Position für den Extremwert von x erhalten werden. $x = - \frac{d + b y \mp \sqrt{(b^{2} y^{2} + 2 b d y + d^{2} - a c y^{2} - 2 a f y - a g)}}{a}$
Durch Ableitung (dx/dy) und Nullsetzen dieser Ableitung lässt sich jener Y-Wert ermitteln, an dem diese Ellipse ihre Maxima und Minima in Bezug auf den X-Wert aufweist. In diesem Fall erhält man für die y-Position der x-Maxima und Minima folgenden Ausdruck: $y_{A x} = \frac{\pm b \sqrt{c (g b^{2} - 2 b d f + c d^{2} + a f^{2} - a c g)} - b c d + a c f}{a c^{2} - c b^{2}}$
y_Ax bezeichnet also einen y-Wert der Ellipse bei maximalem (minimalem) x-Wert der Ellipse.
Durch Einsetzen dieser y-Position in die ursprüngliche Ellipsen-Gleichung, erhält man die maximale Ausdehnung der Ellipse in x-Richtung: $x_{A x} = - \frac{d + b y_{A x}}{a} \mp \sqrt{{(\frac{d + b y_{A x}}{a})}^{2} - \frac{c y_{A x}^{2} + 2 f y_{A x} + g}{a}}$
oder $x_{A x} = - \frac{d + b y_{A x} \mp \sqrt{b^{2} y_{A x}^{2} + 2 b d y_{A x} + d^{2} - a c y_{A x}^{2} - 2 c f y_{A x} - a g}}{a}$
x_Ax bezeichnet also maximale bzw. minimale x-Werte der den ermittelten Ellipsenparametern a, b, c, d, f, g entsprechenden Ellipse.
Für die Amplitude A_Y des zweiten fehlerbehafteten periodischen Sensorsignals Y kann die Ellipsengleichung gemäß y =f(x) umgeformt werden und die Ableitung dy/dx = 0 gesetzt werden. Damit kann die x-Position für den Extremwert von y erhalten werden. $y = - \frac{f + b x \mp \sqrt{b^{2} x^{2} + 2 b f x + f^{2} - a c x^{2} - 2 c d x - c g}}{c}$
Durch Ableitung (dy/dx) und Nullsetzen dieser Ableitung kann jener X-Wert ermitteln werden, an dem diese Ellipse ihre Maxima und Minima in Bezug auf den Y-Wert aufweist. In diesem Fall erhält man für die x-Position der y-Maxima und Minima folgenden Ausdruck: $x_{A y} = \frac{\pm b \sqrt{a (g b^{2} - 2 b d f + c d^{2} + a f^{2} - a c g)} + a c d - a b f}{a b^{2} - c a^{2}}$
x_Ay bezeichnet also einen x-Wert der Ellipse bei maximalem (minimalem) y-Wert der Ellipse.
Durch Einsetzen dieser x-Position in die ursprüngliche Ellipsen-Gleichung, erhält man die maximale Ausdehnung der Ellipse in y-Richtung: $y_{A y} = - \frac{f + b x_{A y}}{c} \mp \sqrt{{(\frac{f + b x_{A y}}{c})}^{2} - \frac{a x_{A y}^{2} + 2 d x_{A y} + g}{c}}$
oder $y_{A y} = - \frac{f + b x_{A y} \mp \sqrt{b^{2} x_{A y}^{2} + 2 b f x_{A y} + f^{2} - a c x_{A y}^{2} - 2 c d x_{A y} - c g}}{c}$
y_Ay bezeichnet also maximale bzw. minimale y-Werte der den ermittelten Ellipsenparametern a, b, c, d, f, g entsprechenden Ellipse.
Der erste Mittelwert/Offset O_X des ersten fehlerbehafteten periodischen Sensorsignals kann dann basierend auf einer Mittelung der maximalen (x_Ax+) und minimalen x-Werte (x_Ax-) gemäß $O_{X} = \frac{x_{A x +} + x_{A x -}}{2} = \frac{x_{A y +} + x_{A y -}}{2}$
$O_{X} = \frac{c d - b f}{b^{2} - a c}$
und der zweite Mittelwert/Offset O_Y des zweiten fehlerbehafteten periodischen Sensorsignals basierend auf einer Mittelung der maximalen (y_Ay+) und minimalen y-Werte (x_Ay-) gemäß $O_{Y} = \frac{y_{A y +} + y_{A y -}}{2} = \frac{y_{A x +} + y_{A x -}}{2}$
$O_{Y} = \frac{a f - b d}{b^{2} - a c}$
mit den Ellipsenparametern a, b, c, d, f, g ermittelt werden.
Die Amplituden A_X, A_Y der ersten und zweiten fehlerbehafteten periodischen Sensorsignale können dann jeweils basierend auf Extremwertermittlung, zum Beispiel basierend auf maximalem x-Wert (x_Ax+) und maximalem y-Wert (y_Ay+) der Ellipse, und unter Berücksichtigung der jeweiligen Mittelwerte O_X, O_Y ermittelt werden. $A_{X} = x_{A x +} - O_{X}$
$A_{Y} = y_{A y +} - O_{Y}$
Der Phasenversatz φ = φ_x - φ_y zwischen erstem und zweitem fehlerbehafteten periodischen Sensorsignal X, Y kann gemäß $φ = - a s i n (\frac{y_{A x} - O_{Y}}{A_{Y}})$
ermittelt werden, wobei y_Ax den y-Wert der Ellipse bei maximalem x-Wert, O_Y den Mittelwert des zweiten Sensorsignals und A_Y die Amplitude des zweiten Sensorsignals bedeuten.
Die durch die Kalibrierung erhaltenen Werte A_X, A_Y, O_X, O_Y und φ können nun zur Anwendung während eines Betriebsmodus (Normalbetrieb) des Winkelsensors gespeichert werden. Dazu kann in der Vorrichtung 500 zusätzlich ein Datenspeicher vorhanden sein.
Während des Betriebs des Winkelsensors kann der Prozessor 510 Messwerte X, Y folgendermaßen korrigieren: $\begin{matrix} X' = (\frac{X - O_{X}}{A_{X}}) & Y' = (\frac{Y - O_{Y}}{A_{Y}}) \end{matrix}$
$\begin{matrix} Y'' = \frac{Y' + s i n φ \cdot X'}{c o s φ} & X'' = X' \end{matrix}$
Die Werte X'', Y'' entsprechen dann den korrigierten Messwerten und der korrigierte Winkel α ergibt sich dann gemäß $α = a t a n (\frac{Y''}{X''})$
Zusammenfassend ist in 6 ein Verfahren 600 zum Kalibrieren eines Winkelsensors dargestellt.
Das Verfahren 600 umfasst, für jeden einer Mehrzahl unterschiedlicher Rotationswinkel eines Messobjekts, ein Erfassen 602 eines ersten Messwerts eines ersten Sensorelements in Abhängigkeit von einem Magnetfeld am Ort des ersten Sensorelements, das von dem Rotationswinkel des Messobjekts abhängig ist, und eines zweiten Messwerts eines zweiten Sensorelements in Abhängigkeit von einem Magnetfeld am Ort des zweiten Sensorelements, das von dem Rotationswinkel des Messobjekt abhängig ist. Bei 604 wird eine Mehrzahl von Ellipsenparametern einer Ellipsengleichung basierend auf den erfassten ersten und zweiten Messwerten ermittelt. Bei 606 werden erste Kenndaten eines ersten periodischen Sensorsignals des ersten Sensorelements und zweite Kenndaten eines zweiten periodischen Sensorsignals des zweiten Sensorelements sowie ein Phasen-Offsets zwischen dem ersten und zweiten periodischen Sensorsignal basierend auf den ermittelten Ellipsenparametern bestimmt.
In einem optionalen Prozess 608 können die ersten und zweiten Kenndaten sowie der Phasen-Offset zur Korrektur von ersten und zweiten Messwerten und damit zur Korrektur eines geschätzten Winkels verwendet werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung können zum Beispiel in Test-Equipment implementiert werden. Dabei sind keine Winkelreferenz und somit kein teurer und großer optischer Encoder erforderlich. Stattdessen kann ein einfach rotierender homogenen Magnet für eine EoL-Prüfung und/oder -kalibrierung verwendet werden. Größere rotierende Magnete können eine Parallelprüfung zur Reduzierung der Prüfkosten ermöglichen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung können auch im Sensor zur Nutzung während des Betriebs implementiert werden. Auch eine Autokalibrierungsfunktion kann durch die Implementierung von Ausführungsbeispiele verbessert werden.
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 Verfahren sein oder sich darauf beziehen, 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 illustrativen Zwecken 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 umfassen deren Entsprechungen.
Ein als „Mittel zum...“ Ausführen einer bestimmten Funktion bezeichneter Funktionsblock kann sich auf eine Schaltung beziehen, die ausgebildet ist zum Ausführen einer bestimmten Funktion. Somit kann ein „Mittel für etwas“ als ein „Mittel ausgebildet für oder geeignet für etwas“ implementiert sein, z. B. ein Bauelement oder eine Schaltung ausgebildet für oder geeignet 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), feldprogrammierbare Logikanordnung (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 grobes 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 ein Bauelement implementiert werden, das 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.

Claims

Verfahren (600) zum Kalibrieren eines Winkelsensors (501), umfassend: Erfassen (602), für jeden einer Mehrzahl unterschiedlicher Rotationswinkel eines Messobjekts, eines ersten Messwerts eines ersten Sensorelements (502) in Abhängigkeit von einem Magnetfeld am Ort des ersten Sensorelements, das von dem Rotationswinkel des Messobjekts abhängig ist, und eines zweiten Messwerts eines zweiten Sensorelements (504) in Abhängigkeit von einem Magnetfeld am Ort des zweiten Sensorelements, das von dem Rotationswinkel des Messobjekt abhängig ist; Ermitteln (604) einer Mehrzahl von Ellipsenparametern (512) einer Ellipsengleichung basierend auf den erfassten ersten und zweiten Messwerten; und basierend auf den ermittelten Ellipsenparametern: Bestimmen (606) erster Kenndaten eines ersten periodischen Sensorsignals des ersten Sensorelements, zweiter Kenndaten eines zweiten periodischen Sensorsignals des zweiten Sensorelements, und eines Phasen-Offsets zwischen dem ersten und zweiten periodischen Sensorsignal.
Verfahren (600) nach Anspruch 1, wobei die ermittelten ersten und zweiten Kenndaten zur Winkelkorrektur in einem Betriebsmodus des Winkelsensors (501) verwendbar sind.
Verfahren (600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Kenndaten eine erste Amplitude und einen ersten Mittelwert des ersten periodischen Sensorsignals und die zweiten Kenndaten eine zweite Amplitude und einen zweiten Mittelwert des zweiten periodischen Sensorsignals umfassen.
Verfahren (600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die unterschiedlichen Rotationswinkel, bei denen die ersten und zweiten Messwerte erfasst werden, wenigstens eine 360°-Rotation des Messobjekts abdecken.
Verfahren (600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl der ersten und zweiten Messwerte jeweils zeitgleich erfasst werden.
Verfahren (600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Sensorelement (502) sensitiv für eine erste Richtungskomponente des Magnetfelds und das zweite Sensorelement (504) sensitiv für eine zweite Richtungskomponente des Magnetfelds ist, wobei die zweite Richtungskomponente senkrecht zu der ersten Richtungskomponente ist.
Verfahren (600) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das erste und das zweite Sensorelement (502; 504) sensitiv für dieselbe Richtungskomponente des Magnetfelds sind, wobei eine idealerweise 90° Phasenverschiebung zwischen dem ersten und zweiten Sensorsignal durch Orte/Abstand der ersten und zweiten Sensorelemente eingestellt wird.
Verfahren (600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste und das zweite Sensorelement (502; 504) jeweils wenigstens ein Magnetfeldsensorelement umfasst.
Verfahren (600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ellipsenparameter (512) basierend auf der Methode der kleinsten Quadrate ermittelt werden.
Verfahren (600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ellipsengleichung die Form ax² + bxy + cy² + dx + fy +g = 0 aufweist und die Ellipsenparameter a, b, c, d, f, g basierend auf C = (M^TM)^-1M^TZ ermittelt werden, wobei $M = [\begin{matrix} X_{0}^{2} & X_{0} Y_{0} & Y_{0}^{2} & X_{0} & Y_{0} \\ X_{1}^{2} & X_{1} Y_{1} & Y_{1}^{2} & X_{1} & Y_{1} \\ ⋮ & ⋮ & ⋮ & ⋮ & ⋮ \\ X_{n - 1}^{2} & X_{n - 1} Y_{- 1 n} & Y_{n - 1}^{2} & X_{n - 1} & Y_{n - 1} \end{matrix}]$
eine Messwert-Matrix basierend auf der Mehrzahl der ersten und zweiten Messwerte und Z = [1 1 ... 1]^T bedeutet.
Verfahren (600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Bestimmung einer ersten Amplitude A_X und eines ersten Mittelwerts O_X des ersten periodischen Sensorsignals die Ellipsengleichung gemäß x =f(y) umgeformt wird und die Ableitung dx/dy = 0 gesetzt wird und wobei zur Bestimmung einer zweiten Amplitude A_Y und eines zweiten Mittelwerts O_Y des zweiten periodischen Sensorsignals die Ellipsengleichung gemäß y =f(x) umgeformt wird und die Ableitung dyldx = 0 gesetzt wird.
Verfahren (600) nach Anspruch 11, wobei der erste Mittelwert O_X basierend auf einer Mittelung maximaler und minimaler x-Werte einer den ermittelten Ellipsenparametern entsprechenden Ellipse und der zweite Mittelwert O_Y basierend auf einer Mittelung maximaler und minimaler y-Werte der Ellipse ermittelt werden.
Verfahren (600) nach Anspruch 12, wobei die erste Amplitude A_X basierend auf einem maximalen x-Wert der Ellipse und dem ersten Mittelwert O_X und die zweite Amplitude A_Y basierend auf einem maximalen y-Wert der Ellipse und dem zweiten Mittelwert O_Y ermittelt werden.
Verfahren (600) nach Anspruch 13, wobei der Phasen-Offset φ zwischen dem ersten und zweiten periodischen Sensorsignal gemäß $φ = - a s i n (\frac{y_{A x} - O_{Y}}{A_{Y}})$
ermittelt wird, wobei y_Ax einen y-Wert der Ellipse bei maximalem x-Wert der Ellipse, O_Y den Mittelwert des zweiten Sensorsignals und A_Y die Amplitude des zweiten Sensorsignals bedeuten.
Vorrichtung (500) zum Kalibrieren eines Winkelsensors (501), umfassend: eine Datenschnittstelle (503; 505) zum Erfassen, für jeden einer Mehrzahl unterschiedlicher Rotationswinkel eines Messobjekts, eines ersten Messwerts eines ersten Sensorelements (502) in Abhängigkeit von einem Magnetfeld am Ort des ersten Sensorelements, das von dem Rotationswinkel des Messobjekts abhängig ist, und eines zweiten Messwerts eines zweiten Sensorelements (504) in Abhängigkeit einem Magnetfeld am Ort des zweiten Sensorelements, das von dem Rotationswinkel des Messobjekt abhängig ist; einen Prozessor (510), der ausgebildet ist, um eine Mehrzahl von Ellipsenparametern (512) einer Ellipsengleichung basierend auf den erfassten ersten und zweiten Messwerten zu berechnen und, basierend auf den ermittelten Ellipsenparametern, erste Kenndaten eines ersten periodischen Sensorsignals des ersten Sensorelements, zweite Kenndaten eines zweiten periodischen Sensorsignals des zweiten Sensorelements und einen Phasen-Offset zwischen dem ersten und zweiten periodischen Sensorsignal zu berechnen.