![]() Magnetfeldsensor und Verfahren zu seinem Betrieb
专利摘要:
Eswird ein Magnetfeldsensor mit einer Sensoranordnung (H) vorgeschlagen,die von einer Versorgungseinrichtung (IH) versorgt wird und einSensorsignal erzeugt, mit einer Auswerteeinrichtung (ADC, R), der dasSensorsignal zugeführtwird und die ein erstes Ausgangssignal (AI) abgibt, und mit einerRückkopplungseinrichtung(RV), der das erste Ausgangssignal zugeführt ist und die die Versorgungseinrichtungsteuert. Die Regelung des mit der Rückkopplungseinrichtung geschlossenenRegelkreises verbessert das Rauschverhalten des Magnetfeldsensors.Das Verfahren beschreibt den Betrieb des Magnetfeldsensors. 公开号:DE102004010613A1 申请号:DE200410010613 申请日:2004-03-02 公开日:2005-10-13 发明作者:Siegfried Rossmann;Colin Steele 申请人:Austriamicrosystems AG; IPC主号:G01B7-30
专利说明:
[0001] DieErfindung betrifft einen Magnetfeldsensor mit einer Sensoranordnung,die von einem Versorgungseinrichtung versorgt wird und ein Sensorsignalerzeugt, und mit einer Auswerteeinrichtung, der das Sensorsignalzugeführtwird und die ein Ausgangssignal abgibt. Die Erfindung betrifft weiterein Verfahren zum Betrieb des Magnetfeldsensors. [0002] Einsolcher, aus der EP0525235 B1 bekannter Magnetfeldsensor weist eine Selbstkompensation auf,bei der durch eine thermische und technologische Kopplung einesHallelementes und seiner Versorgungseinrichtungen individuelle Abgleichmaßnahmendes Magnetfeldsensors unnötigwerden. Dazu sind die entsprechenden Elemente in einer integriertenSchaltung gemeinsam ausgeführt. [0003] Einweiterer Magnetfeldsensor der genannten Art ist aus der DE 4431703 A1 bekannt.Dort wird ein Magnetfeldsensor vorgeschlagen, der neben einer Kompensationdes Offsets des Hallelements den Offset der nachgeschalteten Auswerteeinrichtung mitberücksichtigtund somit eine größere Genauigkeitermöglicht. [0004] Hallelementssind typische Sensorelemente, mit denen ein Magnetfeldsensor aufgebautwerden kann und die meistens in einem Array bzw. einer Hallelementanordnungzusammenwirken. Ein Hallelement gibt im Magnetfeld als Hallsignalein Spannungssignal ab, wenn es von einem Strom senkrecht zum Magnetfelddurchflossen wird. Das Hallsignal, d.h. die Hallspannung, ist abhängig vondem Produkt aus der vertikalen Komponente der magnetischen Flussdichte,dem Hallstrom und der Hallkonstanten. Die Hallkonstante, die dieSensitivitätdes Hallelements angibt, ist materialabhängig. [0005] Impraktischen Betrieb überlagertsich dem Nutzsignal der Hallspannung aus Hallkonstante des Baulements,der vertikalen Komponente der magnetischen Flussdichte und dem Hallstromeine Rauschspannung, die sich aus Rauschkomponenten des Hallelementesund der nachfolgenden Auswerteeinrichtung zusammensetzt. DerartigeRauschkomponenten könnendurch eine Temperatur- und Materialabhängigkeit gegeben sein. [0006] WeitereKomponenten des Rauschsignals könnenaus der konkreten Anwendung entstehen. So gibt die EP 0916074 B1 einen magnetischenDrehsensor an, bei dem ein auf einer Achse montierter Magnet über einemHallelementarray angeordnet ist. Die Hallelementanordnung selbstbesteht aus einer Anzahl von einzelnen Sensorelementen, die in einer bestimmtengeometrischen Anordnung zueinander stehen. Die dem Hallelementarraynachgeschaltete Auswerteeinrichtung ermittelt aus dem Hallsignaldes Hallelementes den Drehwinkel der Achse. Unterschiedliche Temperaturgänge desMagneten sowie des Hallelementes sowie unterschiedliche Abstände zwischendiesen beiden Elementen beeinflussen insbesondere das Nutzsignal.Dadurch wird der Abstand zwischen Nutzsignal und Rauschsignal verändert. [0007] Wirddas Hallsignal fürZwecke einer digitalen Weiterverarbeitung digitalisiert, so kannaufgrund der Änderungender Nutzsignalamplitude des Hallsignals der Dynamikbereich des Analog-Digital-Wandlers,der die Digitalsierung ausführt,nicht voll ausgeschöpftwerden. [0008] DerErfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Magnetfeldsensor undein Verfahren zu seinem Betrieb anzugeben, mit denen sich ein besseresVerhalten des Magnetfeldsensors ergibt. [0009] DieseAufgabe wird durch einen Magnetsensor und durch ein Verfahren zuseinem Betrieb gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. VorteilhafteAusgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen gekennzeichnet. [0010] DerErfindung liegt der Gedanke zugrunde, das Sensorsignal bzw. dasAusgangssignal der Auswerteeinrichtung des Magnetfeldsensors aufzubereitenund mit Hilfe einer Rückkopplungseinrichtungein Steuersignal zu erzeugen, mit dem die Größe des Versorgungsstroms oderder Versorgungsspannung verändertwerden kann. Dazu wird bevorzugt die Amplitude des Sensorsignalsermittelt und der Versorgungsstroms oder die Versorgungsspannungder Sensoranordnung in einem geschlossenen Regelkreis so eingestellt,dass die Amplitude des Sensorsignals konstant bleibt. [0011] Esist besonders vorteilhaft, dass mit einem derartigen Magnetfeldsensorund mit dem Verfahren zu seinem Betrieb ein Ausgangssignal des Magnetfeldsensorserzeugt werden kann, das ein optimiertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufweist. [0012] Esist weiterhin vorteilhaft, dass der bei einer digitalen Weiterverarbeitungdes Sensorsignals notwendige Analog-Digital-Wandler (ADC) eine geringereBitbreite aufweisen kann als ohne die Regelung notwendig wäre. Damitkann der ADC einfacher und kostengünstiger aufgebaut sein. [0013] Esist besonders vorteilhaft, wenn das Ausgangssignal der Auswerteeinrichtungder Amplitude des Sensorsignals entspricht und diese durch einen Vergleichmit einem Amplitudensollwert ermittelt wird. Der Versorgungsstromsoder die Versorgungsspannung wird dann mit der Verstärkungseinrichtung soeingestellt, dass die Amplitude des Sensorsignals konstant bleibt. [0014] Beieiner Ausführungdes Magnetfeldsensors mit Hallelemennten werden die einzelnen Elementeder Hallelementanordnung bevorzugt so angeordnet werden, dass siezwei um 90° phasenverschobeneMesssignale erzeugen, insbesondere werden die Hallelemente um 90° gegeneinanderversetzt angeordnet. Bei einem Drehwinkelsensor kann dann die Amplitudedes Hallsignals in einfacher Weise ermittelt werden. Bei einem sinusförmigen Verlaufder beiden phasenverschobenen Messsignale lässt sich die Amplitude durcheine Quadrierung jedes Messsignals und anschließende Addition der quadriertenSignale erzeugen. [0015] Ineiner vorteilhaften Ausgestalung ist vorgesehen, dass die Messsignaleder Sensoranordnung digitalisiert und in einer Recheneinrichtungweiterverarbeitet werden. Die Recheneinrichtung erzeugt einerseitsdas gewünschteAusgangssignal, beispielsweise den Drehwinkel, und andererseitsdie Amplitudeninformation fürdas Sensorsignal. [0016] Ineiner besonders bevorzugten Ausführungsformist vorgesehen, dass die Rückkopplungseinrichtungeinen Komparator enthält,der das Amplitudensignal des Magnetfeldsensors mit einem Referenzwertvergleicht, dass dem Komparator ein Zähler nachgeschaltet ist, derabhängigvom Ausgangssignal des Komparators aufwärts oder abwärts zählt und dassder Wert des Zählersmit einem Digital-Analog-Wandler(DAC) in ein Steuersignal fürden Versorgungsstrom oder die Versorgungsspannung umgewandelt wird. [0017] Ineiner weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dasssich der Versorgungsstrom oder die Versorgungsspannung aus einerGleichkomponente und einer steuerbaren Komponente, z.B. aus einemGleichstrom einer Konstantstromquelle und dem Strom einer gesteuertenStromquelle zusammensetzt, wobei die gesteuerte Komponente von der Rückkopplungs-bzw. [0018] Verstärkungseinrichtunggesteuert wird. Auf diese Weise ist die Funktion des Magnetfeldsensors sichergestellt,wenn die gesteuerte Komponente nicht angesteuert wird. [0019] Inweiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,dass die Steuersignale für denim Rückkopplungszweigvorgesehenen Zähler alsStatusinformation verwendet und aufbereitet werden. Auf diese Weiselässt sichder Status der Regeleinrichtung, insbesondere die Erhöhung oderVerminderung der Steuerinformation der gesteuerten Komponente unddamit der Amplitude des Sensorsignals oder ein Überlauf des Zählers unddamit ein Verlassen des Regelbereichs des Magnetfeldsensors feststellen.Weiterhin kann mit einer derartigen Statusinformation eine dynamischeErkennung einer „Push-Button"-Funktion unabhängig vomAbsolutwert verwendet werden. [0020] DieErfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und dazugehörigen Figuren derZeichnung nähererläutert.Die Figuren dienen allein der Veranschaulichung der Erfindung undsind daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Gleicheoder gleichwirkende Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.Es zeigen [0021] 1 einenschematischen Aufbau eines Magnetfeldsensors mit einer Hallelementanordnung, [0022] 2 einedetailliertere schematische Darstellung der Verstärkungseinrichtungund [0023] 3 eineschematische Anordnung eines Drehfeldsensors. [0024] DieErfindung wir nachfolgend anhand eines Magnetfeldsensors mit Hallelmentanordnungbeschrieben. Gemäß 1 istein Magnetfeldsensor H, insbesondere eine Hallelementanordnung,vorgesehen, der vorzugsweise aus mehreren Sensorelementen SE besteht.Bevorzugt sind jeweils vier Sensorelemente zu einer Sensoranordnungzusammengefasst. [0025] DieHallelemente des Sensors H werden einzeln von einer Versorgungseinrichtungversorgt bzw. im Ausführungsbeispielvon einer Stromquelle gespeist, die eine Fixstromquelle FS und einegesteuerte Stromquelle GS enthält.Die Fixstromquelle FS erzeugt mit einer nicht näher dargestellten Spannungs- undStromversorgungseinrichtung des Magnetfeldsensors einen fixen Betriebsstromfür dieHallelemente des Magnetfeldsensors H. Die gesteuerte StromquelleGS erzeugt den von dem Rückkopplungszweigbestimmten gesteuerten Strom. Beide Teilströme bilden den Hallstrom IH. [0026] Diebeiden Hall-Sensoranordnungen sind so ausgerichtet, dass die vonihnen erzeugten Messsignale um 90° gegeneinanderphasenverschoben sind. Wenn bei einer bevorzugten Ausführungsformder Magnetfeldsensor ein Drehsensor ist, hat das erste MesssignalsinusförmigenVerlauf, währenddas zweite Messsignal cosinusförmigenVerlauf hat. Nach einer Vorverstärkungim VorverstärkerV gelangen beide Messsignale zum Analog-Digital-Wandler ADC. Dieserführt dieAnalog-Digital-Wandlung durch,beispielsweise mit Hilfe eines Sigma-Delta-Modulators, so dass nach einergegebenenfalls noch vorgesehenen digitalen Filterung am Ausgang desADC ein digitalisiertes Sinus- und ein digitalisiertes Cosinus-Signalverfügbarsind. Beide Signale werden anschließend in der RecheneinrichtungR verknüpftund verarbeitet. [0027] DieRecheneinrichtung R führtmit den digitalisierten Signalen einen Algorithmus aus, so dassam Ausgang der Recheneinrichtung das oder die gewünschtenAusgangssignale bereit stehen. Im Beispiel eines Drehfeldsensorssteht so der Winkel W zur Verfügungund wird an ein Interface IF eingespeist, das die Signalausgabean externe Anschlüssevorsieht oder eine weitere Verarbeitung des digitalen WinkelsignalsW durchführt. [0028] Alsanderes Ausgangssignal der Recheneinrichtung steht die Istwert-AmplitudeAI des Hallsignals aus den beiden Messsignalen zur Verfügung. DieRecheneinrichtung R führtdazu die mathematische Beziehung sin2 W+ cos2 W = 1aus. [0029] DieRecheneinrichtung R ist üblicherweise alsdigitaler Signalprozessor (DSP) ausgebildet. Im Fall eines Drehfeldsensorswird dieser auch als CORDIC (Cordinate Rotational Digital Computer)bezeichnet. Ein möglicherAlgorithmus ist in der „IEEE Transactionson Circuits and Systems – II:Analog and Digital Signal Processing", Vol. 48, No. 6, June 2001, PP 548bis 561 beschrieben. [0030] Selbstverständlich kannein derartiger CORDIC auch andere Algorithmen ausführen. Ebensoist bei einer anderen vom Magnetfeldsensor zu erfassenden Messgröße mit demdigitalen Prozessor die Ausführungeines anderen Algorithmus im DSP möglich. [0031] DieIstwert-Amplitude AI des Hallsignals wird nun in einer Rückkopplungsschleifeeiner RückkopplungseinrichtungRV zugeführt,die an ihrem Ausgang ein Steuersignal zur Steuerung der gesteuerten StromquelleGS abgibt. Die Rückkopplungseinrichtungist in 1 eine Verstärkungseinrichtungund kann auch als AGC (Automatic Gain Control) bezeichnet werden.An einem zweiten Eingang ist der Rückkopplungseinrichtung RV einSollsignal AS für dieAmplitude des Hallsignals zugeführt. [0032] Gemäß 2,die Einzelheiten des Aufbaus der Rückkopplungs- bzw. Verstärkungseinrichtung RVdarstellt, enthältdie Verstärkungseinrichtungeinen digitalen Komparator K, einen Zähler Z und einen Digital-Analog-WandlerDAC. Dem digitalen Komparator werden der Istwerte der AmplitudeAI und die Sollwerte der Amplitude AS des Hallsignals zugeführt. DerSollwert AS entspricht bevorzugt einer optimalen Amplitude am Eingangdes ADC. [0033] Derdigitale Komparator K erzeugt aus seinen beiden EingangssignalenAI und AS ein Ausgangssignal, das einem Zähler Z zugeführt wird.Der ZählerZ ist als Aufwärts-/Abwärts-Zähler ausgebildet.Der Wert des Zählersergibt sich beispielsweise durch Zählen einer Taktfrequenz. ImBeispiel der 2 sind zwei AusgangssignaleU und D des Komparators K an gleichnamigen Anschlüssen vorgesehen,von denen Ausgang U aktiviert wird, wenn der Zähler Z aufwärts zählen soll, während derAusgang D aktiviert wird, wenn der Zähler Z abwärts zählen soll. [0034] Ausgangsseitigwird der Zählerwertdem Digital-/Analog-WandlerDAC zugeführt,der den Zählerwertin ein analoges Signal umsetzt, das wiederum die nicht näher dargestelltegesteuerte Stromquelle GS steuert. Die gesteuerte Stromquelle kannim übrigenin aus dem Stand der Technik bekannter Weise ausgeführt sein. [0035] DerAusgang des digitalen Komparators K ist parallel zum Zähler separatan den Klemmen U und D herausgeführt.Die Steuersignale U und D fürden ZählerZ könnenals Statusinformation fürden Magnetfeldsensor verwendet werden. So wird beispielsweise beieiner Änderungdes Abstandes zwischen dem Magneten und dem Hallsensor eine Nachregelungdes Hallstroms mit Hilfe des beschriebenen Regelkreises notwendig.Die Regelung des mit der RückkopplungseinrichtungRV geschlossenen Regelkreises verbessert das Rauschverhalten desMagnetfeldsensors. [0036] MitHilfe der als Statusinformation verwendeten Steuersignale für den Zähler kanndieses Nachregeln des Regelkreises angezeigt werden, weil ein SignalU für dasAufwärtszählen unddas andere Signal D fürdas Abwärtszählen kennzeichnendist. Somit kann auf einfache Weise extern festgestellt werden, obsich der Abstand zwischen Magnet und Hallelement verändert hatund in welcher Richtung er sich verändert hat. Außerdem istes möglichdurch eine Aktivierung beider Signale U bzw. D einen Zählerüberlauf über denoberen zulässigenWert oder nach unten unter den unteren zulässigen Wert anzuzeigen, waseinem Verlassen des Regelbereichs der Verstärkungseinrichtung entspricht.Auf diese Weise könnenFehler einfach festgestellt werden. [0037] Aufgrundder Steuerung der Amplitude des Hallsignals können die Elemente des Magnetfeldsensorsoptimal an die gegebenen Einsatzbedingungen angepasst werden. Soist es möglich,die Bitbreite des ADC um ein oder gar zwei Bit gegenüber einer nichtgeregelten Ausführungsformzu reduzieren. Dadurch könnendiese Elemente weniger aufwendig und damit kostengünstigerrealisiert werden. [0038] 3 schließlich zeigtzur Veranschaulichung die aus der EP 0916074 B1 bekannte Drehsensoranordnung.Auf einer Drehachse DA ist ein Magnet über einem Hallelement H mitnachfolgender Auswerteschaltung angebracht. Die Erfindung ermöglicht nuneine verbesserte Messung und Auswertung, die gegenüber Abstandsänderungenzwischen Magnet und Hallelementanordnung ein weitgehend unabhängiges Signal-Rausch-Verhältnis hat.Grundsätzlichkönnenauch Signaländerungen,die auf einem aus der Vertikalen verkippten Hallelement-Magnet-Verhältnis odereiner nicht zentrischen Hallelement-Magnet-Beziehung beruhen, zumindestteilweise kompensiert werden und so ein besseren Nutzsignal ermöglichen. [0039] Esist zu erwähnen,dass die Erfindung nicht auf Hallanordnungen beschränkt ist,sondern dass der Gedanke der geregelten Sensoranordnung auch mitanderen Sensoren realisiert werden kann, die auf anderen physikalischenPrinzipien beruhen.
权利要求:
Claims (13) [1] Magnetfeldsensor mit einer Sensoranordnung (H),die von einer Versorgungseinrichtung (IH) versorgt wird und einSensorsignal erzeugt, mit einer Auswerteeinrichtung (ADC, R), derdas Sensorsignal zugeführtwird und die ein erstes Ausgangssignal (AI) abgibt, und mit einerRückkopplungseinrichtung (RV),der das erste Ausgangssignal zugeführt ist und die die Versorgungseinrichtungsteuert. [2] Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Sensoranordnung eine Hallelementanordnung (H) enthält, dievon einem Hallstrom (IH) gespeist wird und als Sensorsignal ein Hallsignalerzeugt, und mit einer als Verstärkungseinrichtung(RV) ausgeführtenRückkopplungseinrichtung,der das erste Ausgangssignal zugeführt ist und die den Hallstromsteuert. [3] Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurchgekennzeichnet, dass das erste Ausgangssignal der Istwert-Amplitude(AI) desSensorsignals entspricht und die Rückkopplungseinrichtung (RV)mit Hilfe einer vorgegebenen Sollwert-Amplitude (AS) die Versorgungseinrichtungso einstellt, dass die Amplitude des Sensorsignals konstant bleibt. [4] Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 2 oder3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hallelementanordnung ein magnetischesDrehfeld erfasst und ein zweites Ausgangssignal (W) der Auswerteeinrichtungdem ermittelten Drehwinkel entspricht. [5] Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 2 bis4, dadurch gekennzeichnet, dass das Hallsignal der Hallelementanordnungein erstes Messsignal (sin W) und ein zweites Messsignal (cos W)enthält,das um 90° phasenverschobengegenüberdem ersten Messsignal ist. [6] Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung einen Analog-Digital-Wandler (ADC),der das Sensorsignal digitalisiert, enthält und eine nachgeschalteteRecheneinrichtung (R), die das erste und/oder das zweite Ausgangssignal(AI, W) erzeugt. [7] Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplungseinrichtung einenKomparator enthält(K), der das erste Ausgangssignal (AI) mit einem Referenzwert (AS)vergleicht, dass dem Komparator ein Zähler (Z) nachgeschaltet ist,dem das Ausgangssignal des Komparators zugeführt ist, und dass dem Zähler einDigital-Analog-Wandler (DAC) nachgeschaltet ist, der das Ausgangssignaldes Zählersin ein Steuersignal fürdie Versorgungseinrichtung umwandelt. [8] Verfahren zum Betrieb eines Magnetfeldsensors, insbesondereeines Magnetfeldsensors nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem eine Versorgungseinrichtung(IH) ein Sensorelement des Magnetfeldsensor versorgt und das Sensorelementein Sensorsignal erzeugt, das mit einer Auswerteeinrichtung (ADC,R) zu einem ersten Ausgangssignal (AI) aufbereitet und einer Rückkopplungseinrichtung(RV) zugeführtwird, die ausgangsseitig die Versorgungseinrichtung steuert. [9] Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,dass aus dem ersten Ausgangssignal die Istwert-Amplitude(AI) desSensorsignals abgeleitet wird und die Rückkopplungseinrichtung (RV)mit Hilfe einer vorgegebenen Sollwert-Amplitude (AS) die Versorgungseinrichtungso einstellt, dass die Istwert-Amplitude des Sensorsignals konstantbleibt. [10] Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,dass mit dem Sensorelement ein magnetisches Drehfeld erfasst wirdund mit der Auswerteeinrichtung ein zweites Ausgangssignal (W) erzeugtwird, das dem Drehwinkel entspricht. [11] Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet,dass ein als Hallelementanordnung ausgeführtes Sensorelement so angeordnetist, dass das Hallsignal ein erstes Messsignal (sin W) und ein zweitesMesssignal (cos W) enthält,das um 90° phasenverschobengegenüberdem ersten Messsignal ist. [12] Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet,dass die Auswerteeinrichtung das Sensorsignal mit einem Analog-Digital-Wandler(ADC) digitalisiert, und eine der Auswerteeinrichtung nachgeschalteteRecheneinrichtung (R) das erste und/oder das zweite Ausgangssignal (AI,W) erzeugt. [13] Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet,dass das erste Ausgangssignal (AI) in einem Komparator mit einemReferenzwert (AS) verglichen wird, dass ein dem Komparator nachgeschalteterZähler(Z) einen Zählwert ausdem Ausgangssignal des Komparators ableitet und ein Digital-Analog-Wandler(DAC) das Ausgangssignal des Zählersin ein Steuersignal fürdie Versorgungseinrichtung umwandelt.
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法律状态:
2005-10-13| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law| 2014-12-15| R018| Grant decision by examination section/examining division| 2016-01-05| R020| Patent grant now final|
优先权:
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