WALLRAFEN, Werner (Cimbernstraße 2, Hofheim, 65719, DE)
| Patentansprüche Verfahren zur Auswertung von Signalen eines Winkelsensors (8) mit mindestens zwei Sensorelementen (4, 5), die eine Ebene aufspannen und mit einem von dieser Ebe ne beabstandetem und drehbaren Element (3) zur Variati on eines Feldes, wobei die Sensorelemente (4, 5) min¬ destens einen ersten und einen zweiten voneinander Ii near unabhängigen Vektor (15, 16) des in dieser Ebene anliegenden Feldes erfassen und wobei zusätzlich eine weitere Größe (17) erfasst wird, die abhängig von dem Abstand zwischen der Ebene und dem drehbaren Element (3) ist und wobei mit dem Betrag der weiteren Größe (17) die Amplituden der Signale des ersten und zweiten Sensorelementes (4, 5) gesteuert wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, da ss der Betrag der weiteren Größe (17) zur Diagnose eines fehlerhaften Abstandes (d) zwischen der Ebene und dem drehbaren Element (3) verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, durch gekennzeichnet, dass der Betrag der weiteren Größe (17) über einen Tiefpassfilter (12) von Informationen über schnelle Änderungen des Abstandes (d) zwischen der Ebe¬ ne und dem drehbaren Element (3) befreit wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, durch gekennzeichnet, dass das drehbare Element (3) ein Magnet, eine Spule, ein Joch oder ein Metallblech ist . 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, durch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (4, 5, 6) magnetfeldempfindlich ausgebildet sind. 6. Verfahren nach Anspruch 4, durch ge kenn ze ichnet , da s s die Sensorelemente (4, 5, 6) als Gigant Magnetoresistive Sensorelemente (GMR) , Tunnel Magneto- resistive Sensorelemente (TMR) oder Hallsensorelemente ausgebildet sind. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, durch gekennzei chnet , das s die Sensorelemente (4, 5, 6) elektromagnetische Felder aufnehmen. 8. Verfahren nach Anspruch 7, durch ge kenn ze ichnet , das s die Sensorelemente (4, 5, 6) als indukti¬ ve Sensorelemente ausgebildet sind. 9. Verfahren nach Anspruch 8, durch ge kenn ze ichnet , das s die induktiven Sensorelemente (4, 5, 6) als Spulen ausgebildet sind. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, durch gekennzei chnet , das s der Winkelsensor (8) einen Vollkreis eindeutig erfasst. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, durch gekennzei chnet , das s aus den Signalen des ers¬ ten und des zweiten voneinander linear unabhängigen Vektors (15, 16) Sinus- und Kosinussignale erzeugt wer¬ den . 12. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, durch gekennzei chnet , das s die analogen Sig¬ nale der Vektoren über einen Analog-Digital-Wandler (18) digitalisiert werden. 13. Verfahren nach Anspruch 1, durch gekennzei chnet , das s die weitere Größe (17) aus einem dritten, zu dem ersten und zweiten Vektor (15, 16) linear unabhängigen Vektor abgeleitet wird. 14. Verfahren nach Anspruch 1, durch gekennzeichnet, da ss die weitere Größe (17) aus den Beträgen des ersten und zweiten voneinander linear unabhängigen Vektoren (15, 16) abgeleitet wird. 15. Verfahren nach Anspruch 1, durch gekennzeichnet, da ss die weitere Größe (17) von einem dritten, von dem ersten und zweiten des ersten Vektoren (15, 16) linear unabhängigen Vektor abgeleitet wird. 16. Verfahren nach Anspruch 1, durch gekennzeichnet, da ss die weitere Größe (17) aus dem Betrag des Versorgungsstromes (20) zum Betreiben des ersten und zweiten Sensorelementes (4, 5) abgeleitet wird. 17. Bürstenloser Elektromotor (1) angesteuert nach mindestens einem in den vorangehenden Ansprüchen angegebenen Verfahren . 18. Bürstenloser Elektromotor (1) nach Anspruch 17, durch gekennzeichnet, dass das drehbare Element (3) zentrisch auf einer Rotorachse (2) des bürstenlosen Elektromotors (1) angeordnet ist. 19. Bürstenloser Elektromotor (1) nach Anspruch 17 oder 18, durch gekennzeichnet, dass der von einem Hochpass (13) gefilterte Betrag des dritten Vektors (6) zur Diagnose eines fehlerhaften Rotorlagers des bürs¬ tenlosen Elektromotors (1) verwendet wird. 20. Bürstenloser Elektromotor (1) nach Anspruch 17 oder 18, durch gekennzeichnet, dass der von einem Tiefpass (12) gefilterte Betrag des dritten Vektors (17) zur Diagnose eines fehlerhaften Abstands (d) zwi- sehen der Ebene und dem drehbaren Element (3) und/oder eines fehlerhaften drehbaren Elements (3) verwendet wird . |
Verfahren zur Auswertung von Signalen eines Winkelsensors Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung von Signalen eines Winkelsensors mit mindestens zwei Sensorelemen ¬ ten, die eine Ebene aufspannen und mit einem von dieser Ebene beabstandetem und drehbaren Element zur Variation eines Feldes, sowie einen bürstenlose Elektromotor, der nach diesem Verfahren angesteuert wird.
Winkelsensoren werden in vielen Bereichen der Technik benötigt. Insbesondere in der Automobilindustrie werden Winkel ¬ sensoren benötigt um z. B. die Lage von Stell- und Drossel- klappen, die Stellung variabler Nockenwellensteuerungen, die Stellung von variablen Turbinengeometrie oder die Stellung von Antriebsmotoren für die elektrische Lenkung zu erkennen. Bei bürstenlosen Elektromotoren ist zur Kommutierung des den Elektromotor antreibenden Wechselstromes ein Drehwinkelsensor notwendig, vor allem wenn der bürstenlose Elektromotor hochdynamisch arbeitet, d. h. in verschiedenen Drehzahlbereichen betrieben wird also von sehr geringen Drehzahlen bis zu hohen Drehzahlen und auch der Rückwärtslauf verwendet wird. Hierbei ist es zu jedem Betriebszustand des Elektromotors notwendig, exakt und genau den Drehwinkel des Rotors des Elektromotors zu erfassen, so dass der bürstenlose Elektromotor mit einem dem entsprechend kommutierten Wechselstrom angetrieben werden kann . Bei den Winkelsensoren sind verschiedene Messprinzipien bekannt. Bei einer Reihe von Messprinzipien wird auf ein sich mit dem Rotor drehendes magnetisches Feld zurückgegriffen, dessen Lage von einem magnetfeldempfindlichen Sensor ausgewertet wird. Sehr gute Messergebnisse erhält man mit Magnet- feldsensoren auf der technologischen Basis des Anisotropen
Magnetoresistiven Effektes (AMR-Sensoren) . Diese AMR-Sensoren haben jedoch den Nachteil, dass sie nur den halben Vollkreis, also 180° eindeutig darstellen können. Nach 180° wiederholt sich auf Grund der Funktionsweise der AMR-Winkelsensoren das Signal, so dass eine eindeutige Zuordnung der Messsignale zur Stellung des Rotors im Vollkreis unmöglich wird.
Die Vollkreismessung kann z. B. mit so genannten 2-D-Hall- Elementen, GMR-Hall-Messelementen (Giant Magnetoresistive Effect) und TMR-Messelementen (Tunnel Magnetoresistive Effect) sowie induktiven Sensoren erreicht werden. Leider weisen die 360° eindeutig auflösenden Sensortypen 2-D-Hall, GMR, TMR und induktive Sensor eine starke Abhängigkeit der Messsignale vom Abstand des drehbaren Elementes zur Variation des Feldes zur Ebene in der die Messelemente angeordnet sind auf. Daher wer ¬ den äußere Einflüsse, bei denen dieser Abstand variiert wird, dazu führen, dass die Messergebnisse dieser 2D-Hall-
Sensorelemente, GMR, TMR und induktive Sensorelemente mit ei ¬ nem hohen Fehler überlagert sind, der zu sehr schlechten Messergebnissen führt. Diese äußeren Effekte sind z. B. die Summe aller Toleranzen beim Einbau des Winkelsensors in ein System, Temperatureinflüsse, die den Abstand verändern und/oder Schwingungen des Gesamtsystems in dem der Winkelsensor angeordnet ist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ver- fahren zur Auswertung von Signalen eines Winkelsensors mit mindestens zwei Sensorelementen anzugeben, dass mit voll- kreisabbildenden Sensorelementen (z. B 2D-Hall- Sensorelemente, GMR, TMR und induktive Sensorelemente) Mess ¬ ergebnisse von hoher Auflösung produziert. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches 1 ge ¬ löst.
Dadurch, dass die Sensorelemente mindestens einen ersten und einen zweiten voneinander linear unabhängigen Vektor des in dieser Ebene anliegenden Feldes erfassen, wobei zusätzlich eine weiter Größe erfasst wird, die abhängig von dem Abstand zwischen der Ebene und dem drehbaren Element ist und wobei mit dem Betrag der weiteren Größe die Amplituden der Signale des ersten und zweiten Sensorelementes gesteuert wird, ist es im gesamten Betrieb des Winkelsensors möglich die Signale des ersten und des zweiten Sensorelements an die Änderungen des Abstandes zwischen der Ebene und dem drehbaren Element anzu ¬ passen. Damit werden die Signale des ersten und des zweiten Sensorelements auf den Abstand zwischen der Ebene und dem drehbaren Element normiert. Das erste und das zweite Sensor ¬ element liefern also nach der Normierung Sinus- und Kosinus- Signale, die einzig von dem Drehwinkel des drehbaren Elements abhängen und die in Ihrer Amplitude weitgehend unabhängig von dem Abstand zwischen der Ebene und dem drehbaren Element sind. Bei einem zu geringen Abstand zwischen der Ebene und dem drehbaren Element wird ein Übersteuern der Analog- Digital-Wandler, und somit ein Beschneiden der Sinus- und Kosinussignale, verhindert.
Bei einer Weiterbildung des Verfahrens wird der vom dritten Vektor erfasste Betrag des Feldes über einen Tiefpassfilter von Informationen über schnelle Änderungen des Abstandes zwischen der Ebene und dem drehbaren Element befreit. Schnelle Änderungen resultieren zum Beispiel aus einem Lagerspiel des bürstenlosen Elektromotors, aus Vibrationen und/oder aus ruckartigen Drehrichtungsänderungen des Rotors des bürstenlo- sen Elektromotors. Diese Informationen werden durch den Tiefpassfilter aus dem Signal von dem dritten Vektor gefiltert. Nach dem Tiefpassfilter liegen in dem Signal von dem dritten Vektor nur Informationen über langsame Änderungen des Abstandes zwischen der Ebene und dem drehbaren Element vor. Dies sind z.B. die Summe aller mechanischen Einbautoleranzen und/oder temperaturbedingte Abstandsänderungen zwischen der Ebene und dem drehbaren Element, Änderungen der Empfindlichkeit der Sensorelemente und/oder deren Auswerteschaltung, sowie Änderungen der von dem drehbaren Element ausgehenden Feldstärke. Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist das drehbare Element ein Magnet, eine Spule, ein Joch oder ein Metallblech. Mit solchen Elementen ist es sehr einfach ein Magnetfeld mit dem Rotor des bürstenlosen Elektromotors zu drehen, um den Drehwinkel des Rotors des bürstenlosen Elektromotors zu er ¬ fassen. Dazu sind die Sensorelemente magnetfeldempfindlich auszubilden. Vorteilhaft ist es, wenn die magnetfeldempfind ¬ lichen Sensorelemente als Gigant Magnetoresistive Sensorele ¬ mente (GMR) , Tunnel Magnetoresistive Sensorelemente (TMR) oder Hallsensorelemente ausgebildet sind, da diese Sensorele ¬ mente eine volle Drehung des Magnetfeldes eindeutig erfassen können .
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung nehmen die Sensorele- mente elektromagnetische Felder auf, wobei die Sensorelemente als induktive Sensorelemente ausgebildet sind. Auch mit in ¬ duktiven Sensorelementen ist eine eindeutige Erfassung des Vollkreises der Rotordrehung möglich. Bei einer Weiterbildung werden aus den Signalen des ersten und des zweiten voneinander linear unabhängigen Vektors Sinus- und Kosinussignale erzeugt. Dies erfolgt vorteilhafter Weise im CORDIC-Algorithmus (COordinate Rotation Digital Com ¬ puter) .
Bei einer nächsten Weiterbildung werden die analogen Signale der Vektoren über einen Analog-Digital-Wandler digitalisiert. Dadurch, dass die Signale des ersten und des zweiten linear unabhängigen Vektors durch das Signal des Abstandes zwischen der Ebene und dem drehbaren Element normiert sind, ist immer die höchste Auflösung des Analog-Digital-Wandlers nutzbar, ohne dass die Gefahr besteht die Signale des ersten und des zweiten linear unabhängigen Vektors durch ein Übersteuern des Analog-Digital-Wandler zu beschneiden oder dass Signale mit zu kleiner Amplitude zu dem Analog-Digital-Wandler gesendet werden . Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung sind mehrere davon in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
Figur 1 einen Winkelsensor mit einem Rotor auf dem ein drehbares Element zur Variation eines Feldes an ¬ geordnet ist, Figur 2 die Ausgangssignale des ersten Sensorelementes und des zweiten Sensorelementes bei konstantem Abstand,
Figur 2a das Ausgangssignal des ersten Sensorelementes
oder des zweiten Sensorelementes für unterschied ¬ liche Abstände,
Figur 3 eine Winkelsensor, der auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion eines Feldes in dem ers- ten Sensorelement und dem zweiten Sensorelement basiert,
Figur 4 ein 3-D-Hallelement , Figur 5 das Verfahren zur Auswertung von Signalen eines
Winkelsensors mit einem 3-Dimensionalen- Hallelement ,
Figur 6 das Verfahren zur Auswertung von Signalen eines
Winkelsensors mit einem 2-Dimensionalen-
Hallelement ,
Figur 7 das Verfahren zur Auswertung von Signalen eines
Winkelsensors mit induktiven Sensorelementen,
Figur 8 eine Darstellung eines möglichen Gesamtsystems Figur 1 zeigt einen Winkelsensor 8 mit einem Rotor 2, z.B. eines bürstenlosen Elektromotors, auf dem ein drehbares Ele ¬ ment 3 zur Variation eines Feldes angeordnet ist. Das drehba ¬ re Element 3 ist hier als Dipolmagnet ausgeführt, wobei der Nordpol N und der Südpol S eingezeichnet ist. Je nach Dreh ¬ winkel des Rotors 2 relativ zum bürstenlosen Elektromotor wird in dem Sensorchip 9 des Winkelsensors 8 ein erster line ¬ ar unabhängiger Vektor 15 der Feldstärke, die hier mit H x bezeichnet ist, und ein zweiter linear unabhängiger Vektor 16 der Feldstärke, die hier mit H Y bezeichnet ist, induziert.
Diese Vektoren 15, 16 werden zum Beispiel von einem Magnet ¬ feld erzeugt und sind streng abhängig vom Drehwinkel und der damit verbundenen Lage des drehbaren Elementes 3. Das erste Sensorelement 4, das hier als vertikales Hall-Element ausgeführt ist, sowie das zweite Sensorelement 5, das eben ¬ falls als vertikales Hall-Element in dem Sensorchip 9 ausge ¬ führt ist, erfasst die Komponenten des ersten linear unabhängigen Magnetfeldvektors 15 und des zweiten linear unabhängigen Magnetfeldvektors 16. Der Betrag der linear unabhängigen Magnetfeldvektoren 15 und 16 ist besonders stark abhängig von dem Abstand d zwischen der Ebene in der das erste Sensorele ¬ ment 4 und das zweite Sensorelement 5 angeordnet ist und der Ebene in der das drehbare Element 3 zur Variation des Magnet ¬ feldes rotiert. Wenn der Abstand d des drehbaren Elementes 3 zum Sensorchip 9, auf dem das erste Sensorelement 4 und das zweite Sensorelement 5 angeordnet ist, geringer wird, werden in den Sensorelementen 4, 5 höhere Hallspannungen erzeugt und wenn der Abstand d zwischen dem drehbaren Element 3 und den Sensorchip 9 größer wird, werden wesentlich geringere Hallspannungen in dem ersten Sensorelement 4 und dem zweiten Sensorelement 5 erzeugt. Damit werden die ungesteuerten Aus ¬ gangsignale des ersten Sensorelementes 4 und des zweiten Sen ¬ sorelementes 5 teilweise unbrauchbar für die weitere Signal ¬ verarbeitung, da sie entweder zu klein sind, um z.B. die vol- le Auflösung eines Analog-Digital-Wandlers auszunutzen oder so groß sind, das ein z.B. ein Analog-Digital-Wandler übersteuert wird, wobei ein Teil des Signals abgeschnitten wird. Diese Situation wird nachfolgend in Figur 2a noch näher dargestellt.
Figur 2 zeigt die sinus- und kosinusförmigen Ausgangssignale des ersten Sensorelementes 4 und des zweiten Sensorelementes 5 bei konstantem Abstand d zwischen dem drehbaren Element 3 und dem Sensorchip 9 der die Ebene bildet, in der das erste Sensorelement 4 und das zweite Sensorelement 5 angeordnet ist. In Figur 2 sind saubere Sinus- und Kosinusverläufe für die Hallspannung U Ha ii zu erkennen, die eine eindeutige Auflö ¬ sung des Drehwinkels zwischen -180° und +180° zulassen, wo ¬ mit der Vollkreis durch den hier angegebenen Winkelsensor 8 vollständig und eindeutig erfassbar ist. Figur 2a zeigt das Ausgangssignal des ersten Sensorelementes 4 oder des zweiten Sensorelementes 5 für unterschiedliche Ab ¬ stände d, di, d2 zwischen dem drehbaren Element 3 und der Ebene des ersten Sensorelementes 4 und des zweiten Sensorele ¬ mentes 5. Mit d ist hier der optimale Abstand bezeichnet, di bezeichnet einen geringeren als den optimalen Abstand und d2 bezeichnet einen größeren als den optimalen Abstand zwischen dem drehbaren Element 3 und der Ebene des ersten Sensorele ¬ mentes und des zweiten Sensorelementes 5. Der Einfachheit halber ist in Figur 2a nur der Sinusverlauf des Signals des ersten Sensorelementes 4 dargestellt, wobei sich der Kosinus ¬ verlauf des Signals des zweiten Sensorelementes 5 analog ver ¬ halten würde. Bei einem optimalen Abstand d zwischen dem drehbaren Element 3 und der Ebene des ersten Sensorelementes 4 und des zweiten Sensorelementes 5 ergibt sich die schon be- kannte Sinusfunktion, die in Figur 2a mit dem Bezugszeichen d gekennzeichnet ist. Vergrößert man nun den Abstand zwischen dem drehbaren Element 3 und der Ebene des ersten Sensorele ¬ mentes 4 und des zweiten Sensorelementes 5, so ergibt sich ein wesentlich flacherer Verlauf der Sinusfunktion, die hier in Figur 2a mit dem Bezugszeichen d2 gekennzeichnet ist. Da die Auswertung der vom Winkelsensor 8 gelieferten Signale in der Regel über einen Analog-Digital-Wandler erfolgt, würde hier durch den sehr flachen Verlauf der Sinuskurve ein großer dynamischer Bereich des Analog-Digital-Wandlers ungenutzt bleiben und somit die Messergebnisse verschlechtert werden, da mit einem kleineren Bereich digitaler Werte auch weniger Auflösung erreicht werden kann. Bei einer wesentlichen Verringerung des Abstandes di zwischen dem drehbaren Element 3 und der Ebene des ersten Sensorelementes 4 und des zweiten Sensorelementes 5 ergibt sich die in Figur 2a mit di gekenn ¬ zeichnete Situation. Das hier zu erkennende Sinussignal wird bei einer Grenzspannung U g abgeschnitten, da der nachfolgende Analog-Digital-Wandler übersteuert wird, wodurch sich in weiten Drehwinkelbereichen überhaupt keine Auflösung des Drehwinkels des Rotors 2 mehr erzielen lässt. Sowohl der erhöhte Abstand d2 als auch der verringerte Abstand di zwischen dem drehbaren Element 3 und der Ebene des ersten Sensorelementes 4 und des zweiten Sensorelementes 5 führen zu sehr schlechten Messergebnissen, die im Rahmen einer automobiltechnischen Anwendung des Winkelsensors 8 nicht akzeptabel sind. Figur 3 zeigt eine Winkelsensor 8, der auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion eines Feldes in dem ersten Sensorelement 4 und dem zweiten Sensorelement 5 basiert. Die Sensorelemente 4, 5 sind als Spulenanordnungen z.B. auf einer Leiterplatte 9 ausgebildet. Das drehbare Element 3 ist hier zur Variation eines elektromagnetischen Feldes ausgebildet und mit dem hier nicht dargestellten Rotor 2 des bürstenlosen Elektromotors 1 verbunden ist. Bei der Drehung des drehbaren Elementes 3 wird das elektromagnetische Feld von dem ersten Sensorelement 4 und des zweiten Sensorelement 5 erfasst, die hier als Spulenpaare auf einer Sensorleiterplatte 9 ausgebil ¬ det sind. In einem integrierten Schaltkreis 21 auf der Sensorleiterplatte 9 befindet sich die Auswertelektronik für die Signale des ersten Sensorelementes 4 und des zweiten Sensor ¬ elementes 5. Diese Auswertelektronik besteht aus Verstärkern 10, gesteuerten Verstärkern 11, die auch als Operationsverstärker bezeichnet werden, Tiefpässen 12, Hochpässen 13, und Inverter 14. Figur 4 zeigt den prinzipiell aus Figur 1 bekannten Aufbau eines 2-D-Hallelementes erweitert um eine dritte Dimension hin zum 3-D-Hallelement . Auf dem Sensorchip 9 findet sich das erste Sensorelement 4 und das zweite Sensorelement 5, die mit dem Sensorchip 9 die Ebene bilden, in der das Magnetfeld vermessen wird, das von dem Element 3 zur Variation des Magnet ¬ feldes induziert wird. Das Element 3 zur Variation des Mag ¬ netfeldes ist hier als Permanentmagnet mit einem Nordpol N und einem Südpol S ausgebildet. Darüber hinaus findet sich ein drittes Sensorelement 6, wodurch sich der hier gezeigte Sensorchip 9 zu einem sogenannten 3-Dimensionalen-Hallelement (3-D-Hallelement) erweitert wird. Darüber hinaus ist in dem Sensorchip 9 ein Temperatursensorelement 7 integriert. Dieses Temperatursensorelement 7 misst die im Winkelsensor 8 herr ¬ schende Temperatur. Temperaturveränderungen im Winkelsensorelement 8, insbesondere in den Sensorelementen 4, 5 und 6, können zur massiven Veränderung der von den Sensorelementen 4, 5 und 6 erzeugten Signale führen.
Das Verfahren zur Auswertung von Signalen eines Winkelsensors 8 mit mindestens zwei Sensorelementen 4 und 5, die eine Ebene aufspannen, und mit einem von dieser Ebene beabstandetem und drehbaren Element 3 zur Variation des Feldes wird in den nachfolgenden Figuren näher erläutert.
In Figur 5 erfassen die Sensorelemente 4 und 5 mindestens ei ¬ nen ersten und einen zweiten voneinander unabhängigen Vektor 15 und 16 des in dieser Ebene anliegenden Feldes H x , H Y . Zu- sätzlich wird ein dritter, zu dem ersten und dem zweiten Vektor 15 und 16 linear unabhängiger Vektor 17 erfasst, der den Betrag des Feldes H z in z-Richtung repräsentiert, wobei die ¬ ser Betrag abhängig von dem Abstand d zwischen der Ebene und dem drehbaren Element 3 ist, und wobei mit diesem Betrag die Amplitude der Signale der Sensorelemente 4 und 5 gesteuert wird. Das erste Sensorelement 4 und das zweite Sensorelement 5 sind hier in der Ebene des Sensorchips 9 angeordnet. Die von dem ersten Sensorelement 4 und dem zweiten Sensorelement 5 erfassten Magnetfeldvektoren 15 und 16 werden als elektrische Signale zu den steuerbaren Verstärkern 11. Diese steuerbaren Verstärker 11 sind in der Regel als Operativverstärker ausgebildet. Da nun die von dem ersten Sensorelement 4 und dem zweiten Sensorelement 5 erfassten Signale stark abhängig von dem Abstand d des drehbaren Elementes 3 zur Ebene des Sensorchips 9 sind, wird der Abstand d von dem dritten Sen ¬ sorelement 6 erfasst, das hier die z-Komponente des magneti- sehen Feldes H z misst. Das vom dritten Sensorelement 6 er- fasste Signal wird über einen ersten Verstärker 10 und einen Tiefpassfilter 12, der hochfrequente Signale wegfiltert, zu einem analogen Inverter 14 geführt, womit hier Steuergrößen für die steuerbaren Verstärker 11 zur Verfügung stehen, mit denen die Signalstärke dem ersten Sensorelement 4 und dem zweiten Sensorelement 5 entsprechend des Abstandes d, di, d2 zwischen dem drehbaren Element 3 und der Ebene des Sensorchips nachgeführt wird. Diese korrigierten Signale vom ersten Sensorelement 4 und dem zweiten Sensorelement 5 werden dann Analog-Digital-Wandlern 18 zur Verfügung gestellt, die damit immer im vollen Bereich ihrer Auflösung und Bandbreite arbeiten können, ohne dabei übersteuert zu werden. Darüber hinaus wird bei diesem Verfahren die Temperatur T vom Temperatursensorelement 7 erfasst, die innerhalb des Winkelsensors 8 herrscht. Dieser Temperaturmesswert kann ebenfalls über einen Verstärker 10 in die Korrektur der Signale vom ersten Sensorelement 4 und dem zweiten Sensorelement 5 einbezogen werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist eine vollständige Korrektur von Abstandsschwankungen und Temperaturschwankungen innerhalb des Winkelsensors 8 möglich, wodurch vollkreisab- bildende Winkelsensorelemente kostengünstig im Rahmen automo ¬ biler Anwendungen eingesetzt werden können. Weiterhin zeigt Figur 5 einen Hochpassfilter 13. Dargestellt sind die verfüg ¬ baren Signale. Aus dem Signal des dritten Sensorelementes 6 kann nach Verstärkung 10 und Hochpassfilterung 13 eine schnelle Abstandsänderung zwischen dem drehbaren Element 3 und dem Sensorchip 9 festgestellt werden. Diese schnelle Ab- Standsänderung würde z. B. ein Hinweis auf ein defektes Lager des Rotors 2 im bürstenlosen Elektromotor 1 geben. Die Tiefpassfilterung 12 des Signals vom dritten Sensorelement 6 erzeugt ein Signal für eine langsame Abstandsänderung d zwi- sehen dem drehbaren Element 3 und der Ebene des Sensorchips 9. Diese langsame Abstandsänderung kann z. B. durch eine Temperaturdehnung des Gesamtsystems ausgelöst sein.
Figur 6 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung. Hier wird die vom Abstand d, di, d 2 abhängige weitere Größe 17 aus dem ersten und dem zweiten voneinander linear unabhängigen Vektor 15, 16, die von den Sensorelementen 4, 5 erfasste werden, abgeleitet. Dazu wird zum Beispiel in einer Rechenschal ¬ tung 19 der resultierende Betrag des ersten und zweiten line ¬ ar unabhängigen Vektors 15, 16 über den Satz des Pythagoras gebildet. Die Beträge der einzelnen linear unabhängigen Vektoren 15, 16, die als Sinus- und Kosinussignale zeitlich dar ¬ gestellt werden, sind bei kleinerem Abstand di zwischen dem drehbaren Element 3 und der Ebene des ersten Sensorelementes 4 und des zweiten Sensorelementes 5 größer und verringern sich mit zunehmendem Abstand. Damit kann die Rechenschaltung 19 eine weitgehend winkelunabhängige Information über den Ab ¬ stand d zwischen dem drehbaren Element 3 und der Ebene des ersten Sensorelementes 4 und des zweiten Sensorelementes 5 liefern .
Figur 7 zeigt eine nächste Ausgestaltung der Erfindung. Die weitere, vom Abstand den Abstand d zwischen dem drehbaren Element 3 und der Ebene des ersten Sensorelementes 4 und des zweiten Sensorelementes 5 abhängige Größe 17 wird hier aus dem Versorgungsstrom 20 zum betreiben der induktiven Sensorelemente 4, 5 abgeleitet. Für das induktive Messverfahren wird ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, womit im drehbaren Element 3 ein Wirbelstrom induziert wird. Der Be- trag des Wirbelstromes steigt mit kleiner werdendem Abstand d und sinkt mit größer werdendem Abstand d. Die Beträge der li ¬ near unabhängigen Vektoren 15, 16 in ihrer zeitlichen Dar Stellung als Sinus- und Kosinussignale werden ebenfalls mit kleinerem Abstand di größer und sinken mit größerem Abstand d 2 . Auch damit kann die Rechenschaltung 19 eine weitgehend winkelunabhängige Information über den Abstand d zwischen dem drehbaren Element 3 und der Ebene des ersten Sensorelementes 4 und des zweiten Sensorelementes 5 liefern.
Die Darstellung eines möglichen Gesamtsystems findet sich in Figur 8. Hier ist ein bürstenloser Elektromotor 1 mit einem Rotor 2 dargstellt, wobei auf dem Rotor 2 das drehbare Ele ¬ ment 3 zur Variation eines Magnetfeldes angeordnet ist. Ent ¬ sprechend des Drehwinkels wird das drehbare Element 3 ein charakteristisches magnetisches Feld im Sensorchip 9 induzie ¬ ren. Dieses charakteristische Magnetfeld wird von dem ersten Sensorelement 4, dem zweiten Sensorelement 5 und dem dritten Sensorelement 6 aufgenommen. Der Abstand zwischen dem drehba ¬ ren Element 3 und dem Sensorchip 9 kann variieren, was hier durch die Bezugszeichen d 2 , di und do dargestellt ist. Diese Variation des Abstandes d zwischen dem drehbaren Element 3 und der Ebene, in der das erste Sensorelement 4 und das zwei ¬ te Sensorelement 5 angeordnet ist, wird durch den Magnetfeld ¬ anteil H z vom dritten Sensorelement 6 erfasst. Damit liefert das dritte Sensorelement 6 einen Korrekturwert H z , der über den Erstverstärker 10 und einen Tiefpassfilter 12 sowie einen Inverter 14 zu den steuerbaren Verstärkern 11 geführt wird.
Die Magnetfeldwerte H Y und H z werden von dem ersten Sensorelement 4 und dem zweiten Sensorelement 5 erfasst, womit das erste Sensorelement 4 einen ersten linear unabhängigen Vektor 15 und das zweite Sensorelement 5 einen zweiten linear unab ¬ hängigen Vektor 16 erfasst. Aus der Kombination dieser zwei linear unabhängigen Vektoren kann über einen Kordigalgo- rythmus eindeutig auf den Winkel geschlossen werden. Die Abstandsabhängigkeit zwischen dem drehbaren Element 3 und dem Sensorchip 9 wird in den steuerbaren Verstärkern 11 korrigiert, womit eine eindeutige und messtechnisch hohe Auflösung des 360° Vollkreises mit den hier dargestellten Winkelsensor 8 möglich ist.