BRPI0806373A2 - aparelho para prover um sinal relacionado com uma posição de um elemento acoplador - Google Patents

Abstract

APARELHO PARA PROVER UM SINAL RELACIONADO COM UMA Posição DE UM ELEMENTO ACOPLADOR. Um aparelho provendo um sinal relacionado com uma posição de um elemento acoplador compreende uma bobina excitatriz e uma bobina receptora, o aparelho sendo operável para prover um sinal correlacionado com a posição do elemento acoplador usando um sinal de receptor gerado quando a bobina excitatriz é energizada devido a um acoplamento indutivo entre a bobina receptora e a bobina excitatriz. Em alguns exemplos, a bobina receptora tem primeira e segunda seções gerando um primeiro sinal de seção e um segundo sinal de seção respectivamente, e um circuito eletrónico é operável para gerar um sinal independente de posição usando o primeiro sinal de seção e o segundo sinal de seção. Este sinal independente de posição pode então ser subtraído de uma voltagem de linha base para prover um sinal de referência melhorado para detecção relaciométrica de posição.

Description

"APARELHO PARA PROVER UM SINAL RELACIONADO COM UMA POSIÇÃO DE UM ELEMENTO ACOPLADOR". Campo da invenção

A presente invenção relaciona-se com sensores de posição, em particular com sensores de posição indutivos. Antecedentes da invenção

Sinais a partir das bobinas do receptor de sensores indutivos estão propensos a variação devido a ruido e variações de fabricação, por exemplo, variações em separações de peças. Sensores melhorados proporcionando sinais posicionais corrigidos para tais fatores de modo comum seriam de grande interesse comercial, particularmente para aplicações de controle de acelerador eletrônico, entre muitas outras aplicações possíveis. Sumário da invenção

Esta invenção relaciona-se com um sensor indutivo para prover sinais elétricos relacionados com a posição de uma peça mecânica, incluindo sensores de posição lineares e/ou rotacionais. As configurações da invenção podem ser usadas com um controle de acelerador eletrônico. A peça cuja posição deve ser detectada pode ser acoplada mecanicamente a um elemento acoplador.

Um sensor de posição indutivo exemplar compreende uma bobina excitatriz, uma ou mais bobinas receptoras e um elemento acoplador. O elemento acoplador modifica o acoplamento indutivo entre a bobina excitatriz e a(s) bobina(s) receptora(s) de acordo com a posição da peça. A posição da peça é determinada a partir de um sinal do receptor, obtido a partir da(s) bobina(s) do receptor. Se existir uma pluralidade de bobinas receptoras, cada uma fornecendo um sinal de receptor, um sinal de receptor pode ser selecionado de acordo com a faixa posicionai, ou outro fator. O sinal de receptor é sensível à posição da peça, pelo menos através de uma faixa posicionai, e também sensível a fatores de modo comum tais como voltagem de excitação, variações de fabricação (tal como a folga entre um conjunto de bobina e o elemento acoplador), ruído elétrico, condições ambientes ou locais tais como temperatura, ou outro fator.

A precisão do sinal posicionai pode ser melhorada usando um sinal de referência, por exemplo usando solução relaciométrica onde uma razão é formada do sinal do receptor e do sinal de referência. 0 sinal de referência é preferivelmente substancialmente independente da posição da peça pelo menos ao longo da direção posicionai de interesse (o movimento pretendido), mas suscetível a alguns ou todos os fatores de modo comum que atuam nas bobinas do receptor. Logo, erros devido a fatores de modo comum podem ser reduzidos ou substancialmente eliminados obtendo um sinal relaciométrico, formado como uma razão de um sinal do receptor para um sinal de referência. 0 efeito de fatores de modo comum pode então ser substancialmente eliminado formando a razão. O sinal de referência pode ser fornecido por uma bobina de referência separada, por exemplo configurada para ser excitada pelo mesmo fluxo que excita a(s) bobina(s) receptora(s).

Em alguns exemplos da presente invenção, um sinal de referência é obtido sem a necessidade de uma bobina de referência separada. O sinal de referência é determinado usando sinais obtidos a partir da uma ou mais bobinas receptoras. Isto permite a simplificação do conjunto de bobina, custo reduzido, e confiabilidade melhorada. Adicionalmente, o grau de eliminação de fatores de modo comum pode ser melhorado. A robustez térmica também pode ser melhorada, se o número de camadas em um conjunto de bobina baseado em placa de circuito multicamada for reduzido. Por exemplo, a bobina receptora pode ser provida com uma derivação ["tap"] central, com seções enroladas opostamente em cada lado da derivação central. Um sinal de receptor e sinal de referência podem então ambos ser obtidos a partir da bobina receptora.

Em algumas aplicações, é preferível modificar o sinal de referência através de uma etapa de obtenção de um primeiro sinal substancialmente independente da posição do elemento acoplador, então subtraindo o primeiro sinal de um segundo valor. Por exemplo, em alguns controles de acelerador eletrônico, existe uma folga entre um conjunto de bobina e um elemento acoplador. Para um sensor rotacional, a folga pode ser ao longo (ou paralela a) o eixo geométrico central de rotação. O sinal do receptor tende a aumentar à medida que a folga diminui. Usando uma bobina receptora com derivação no centro, um primeiro sinal pode ser obtido o qual é substancialmente independente da posição da peça, mas o qual tende a diminuir à medida que a folga diminui. Subtraindo o primeiro sinal de um nivel de linha base mais alto, um segundo sinal pode ser obtido o qual aumenta à medida que a folga diminui. O nivel de linha base mais alto pode ser obtido a partir do sinal excitatriz, por exemplo usando uma ponte de impedância (relativa e/ou capacitiva), ou um transformador de isolação.

Em uma solução exemplar, uma bobina receptora tendo uma pluralidade de seções é usada, e uma pluralidade de sinais assim obtidos são combinados para obter um sinal de referência substancialmente independente da posição da peça. Por exemplo, se a bobina receptora for derivada, a derivação pode estar localizada entre seções enroladas opostamente da bobina receptora. A soma das magnitudes de dois sinais obtidos a partir das seções pode então ser usada para obter um sinal independente da posição do acoplador. À medida que o elemento acoplador se move em relação ao conjunto de bobina, o acoplamento indutivo com uma primeira seção, tendo uma primeira direção de enrolamento, pode diminuir, enquanto induzindo o acoplamento indutivo com uma segunda seção tendo uma direção oposta (à primeira seção). A combinação dos sinais de uma maneira diferencial obtém um sinal sensível à posição correlacionado com a posição do elemento acoplador. À medida que o acoplamento indutivo com a primeira seção de bobina receptora diminui, o sinal sensível à posição conterá mais de uma contribuição para a segunda seção. Entretanto, somando as magnitudes dos sinais, um sinal substancialmente independente da posição do acoplador é obtido.

Em uma outra solução exemplar, uma pluralidade de bobinas receptoras são usadas, e um sinal de referência obtido por combinação de sinais a partir da pluralidade de bobinas receptoras.

Uma bobina receptora exemplar tem uma derivação central dividindo duas seções. O sinal do receptor é obtido a partir das extremidades da bobina receptora, e as duas seções contribuem com voltagens opostas para o sinal do receptor. Esta configuração pode ser denominada "diferencial", uma vez que o sinal do receptor é a diferença entre as magnitudes das voltagens induzidas nas duas seções. O sinal de referência é obtido como a soma das magnitudes das voltagens em cada seção. Em outros exemplos, o sinal de referência pode ser provido por um Ioop único. A magnitude do sinal de referência pode ser aumentada localizando uma placa ferromagnética próxima à bobina de referência. Em alguns exemplos, estruturas de bobinas adicionais fora de um loop geralmente circular podem ser adicionadas, e a inclusão de um núcleo ferromagnético a tais estruturas de bobinas adicionais aumenta adicionalmente a magnitude do sinal de referência assim obtido.

O sinal de referência pode ser modificado antes que o processamento do sinal relaciométrico seja aplicado. Em alguns exemplos, pode ser útil para o sinal de referência usado para processamento de sinal ir para um valor mais baixo (possivelmente um valor mínimo, tal como zero) quando o elemento acoplador for removido. 0 sinal de receptor a partir de uma bobina receptora diferencial pode tipicamente ir para um mínimo quando o elemento acoplador for removido, uma vez que os sinais das seções enroladas opostamente se cancelam. Logo, o sinal de referência obtido a partir do conjunto de bobina pode ser subtraído de uma voltagem de linha base antes que o processamento do sinal relaciométrico (ou qualquer outro tipo de processamento de sinal) seja aplicado. A voltagem de linha base pode ser fornecida por um transformador de isolação (p.ex., em série com a bobina excitratriz), ou pode de outra forma ser derivado da voltagem de excitação aplicada à bobina excitatriz (p.ex., por divisores de voltagem capacitivos ou resistivos em paralelo com a bobina de excitação) , ou pode ser um valor pré- determinado obtido de qualquer fonte. Usando esta etapa de subtração, a voltagem de linha base pode ser ajustada para fornecer um sinal de referência tendo uma tendência similar versus um fator de modo comum (tal como temperatura ou folga em relação a um elemento acoplador) como é observado em um sinal dependente de posição, permitindo os efeitos do fator de modo comum serem mais precisamente removidos. A voltagem de linha base pode ser escolhida para ser aproximadamente igual ao valor mais alto da voltagem do sinal de referência teoricamente (ou praticamente) observado.

Um aparelho exemplar, para fornecer um sinal relacionado com uma posição de um elemento acoplador, compreende uma bobina excitatriz operável para gerar fluxo magnético quando energizada, uma bobina receptora operável para gerar um sinal de receptor devido a um acoplamento indutivo entre a bobina receptora e a bobina excitatriz quando a última é energizada, a bobina receptora tendo primeira e segunda seções gerando um primeiro sinal de seção e. um segundo sinal de seção respectivamente, e um circuito eletrônico operável para gerar um sinal dependente de posição usando o sinal de receptor, e um sinal independente de posição usando o primeiro sinal de seção e o segundo sinal de seção. O acoplamento indutivo é modificado por modulação espacial por movimento do elemento acoplador tal que o sinal de receptor seja correlacionado com a posição, e o sinal independente de posição seja substancialmente independente da posição do elemento acoplador. Um sinal de referência melhorado, também sendo substancialmente independente da posição do elemento acoplador, pode ser gerado subtraindo o sinal independente de posição de uma voltagem de linha base. 0 circuito eletrônico pode gerar um sinal relaciométrico, correlacionado com posição, usando o sinal dependente de posição e o sinal de referência. Em outros exemplos, o aparelho tem uma bobina de referência, a bobina de referência sendo operável para fornecer um sinal independente de posição quando a bobina excitatriz é energizada devido a um acoplamento indutivo entre a bobina de referência e a bobina excitatriz. Exemplos da presente invenção incluem sensores de posição rotacionais, e sensores de posição lineares. Exemplos particulares incluem controles de acelerador eletrônico. Descrição resumida dos desenhos

As figuras IA e IB ilustram sinais que podem ser obtidos a partir de uma bobina receptora com derivação; A figura 2 mostra a geração de um sinal dependente da posição do acoplador e um sinal substancialmente independente da posição do acoplador;

A figura 3 mostra um circuito eletrônico para obter um sinal de referência e sinal de receptor a partir de uma bobina receptora tendo uma derivação central; A figura 4 mostra uma voltagem de linha base obtida a partir do sinal excitatriz usando um divisor de voltagem; A figura 5 mostra uma voltagem de linha base obtida a partir do sinal excitatriz usando coleta de corrente; As figuras 6A e 6B mostram sinais de referência corrigidos para folga obtidos subtraindo um sinal independente de posição de uma voltagem de linha base, a voltagem de linha base sendo obtida usando uma ponte capacitiva na figura 6A e coleta de corrente na figura 6B;

A figura 7 mostra um design de receptor de bobina bipolar para um sensor de rotação, e uma bobina de referência de Ioop opcional (estrutura não diferencial); A figura 8 mostra um design de bobina receptora de 5 pólos e bobina de referência, que podem alternativamente ser configuradas para ter uma periferia interna e externa geralmente circulares;

A figura 9A mostra uma placa metálica ferromagnética posicionada de modo a aumentar a potência do sinal das bobinas de referência (se usada) e/ou receptoras;

A figura 9B mostra o uso de estruturas de bobinas adicionais usando um núcleo ferromagnético;

A figura 10A mostra um aparelho tendo um conjunto de bobina e circuito eletrônico associado, usando uma voltagem de linha base para modificar o sinal de referência;

A figura 10B mostra um circuito similar à figura 10A, usando uma solução de coleta de corrente para gerar a voltagem de linha base;

As figuras 11A e 11B mostram esquemas exemplares adicionais de circuitos eletrônicos que geram um sinal relaciométricô;

As figuras 12A e 12B mostram aparelhos cada um tendo uma pluralidade de bobinas receptoras, nestes exemplos duas bobinas receptoras;

A figura 13A ilustra os efeitos de acoplamento capacitivo na fase de saída;

A figura 13B mostra um circuito deslocador de fase para reduzir os efeitos de acoplamento capacitivo;

As figuras 14A-14C mostram sinais possíveis obtidos de um circuito exemplar;

A figura 14D mostra como a subtração de um sinal independente de posição de uma voltagem de linha base melhora a correção de folga;

A figura 15 ilustra correção de folga melhorada;

A figura 16 ilustra correção de temperatura melhorada;

As figuras 17 e 18 mostram um sinal de referência obtido a partir de um sensor Hall tripolar; e

A figura 19 mostra uma bobina receptora usada em um conjunto de pedal, no qual uma derivação central pode ser usada como parte de um sensor posicionai melhorado. Descrição detalhada da invenção

Um aparelho para prover um sinal relacionado com uma posição de uma peça móvel compreende uma bobina excitatriz, e uma bobina receptora disposta próxima à bobina excitatriz. A bobina excitatriz gera fluxo magnético quando a bobina excitatriz é energizada por uma fonte de energia elétrica, tal como uma fonte de corrente alternada. A bobina receptora gera um sinal de receptor quando a bobina excitatriz é energizada, devido a um acoplamento indutivo entre a bobina receptora e a bobina excitatriz. Um sensor de posição pode detectar movimento linear, movimento rotacional (incluindo sensores de rotação multigiro, ou uma combinação de movimento linear e rotacional).

O acoplamento indutivo é modificado por movimento da peça tal que o sinal de receptor seja relacionado com a posição da peça. Por exemplo, um elemento acoplador pode ser acoplado mecanicamente à peça, tal que o elemento acoplador modifique o acoplamento indutivo entre a bobina excitatriz e a bobina receptora à medida que ele se move, tal que o sinal de receptor seja relacionado com a posição do acoplador e portanto a posição da peça. 0 elemento acoplador pode compreender uma placa de metal, geralmente estrutura metálica com formato de U, Ioop condutor, ou outra estrutura que modifique o acoplamento indutivo entre a bobina transmissora e a(s) bobina(s) receptora(s) . 0 elemento acoplador pode atuar como uma placa de corrente parasita que bloqueia o acoplamento de fluxo entre a bobina excitatriz e a(s) bobina(s) receptora(s).

A bobina receptora pode incluir uma pluralidade de seções, o acoplamento indutivo tendendo a induzir voltagens opostas em pelo menos duas das seções. Esta estrutura é transformada em uma estrutura diferencial, uma vez que a voltagem pode ser considerada a diferença entre as magnitudes de voltagens induzidas. 0 sensor pode ser configurado tal que a saída da bobina receptora seja substancialmente zero se o elemento acoplador for removido.

Um conjunto de bobina pode ser formado o qual inclui a bobina excitatriz, uma ou mais bobinas receptoras, e uma bobina de referência opcional. 0 conjunto de bobina pode ser formado sobre um substrato, por exemplo como trilhas metálicas sobre uma placa de circuito impresso que também pode ser usada para suportar um circuito eletrônico para processamento de sinal.

Um circuito eletrônico pode ser provido operável para gerar um sinal posicionai que tenha um relacionamento substancialmente linear com a posição a ser medida, seja como voltagem versus posição linear, voltagem versus posição angular, posição ao longo de uma trajetória curva, ou outra posição que seja uma combinação de movimento linear e rotação. A posição da peça pode ser uma posição de um pedal, movimento do pedal sendo acoplado mecanicamente à posição do elemento acoplador, por exemplo para aplicações de acelerador eletrônico, sensores de giro da coluna de direção, sensores de tanque de combustível, e similares. 0 aparelho pode compreender um circuito eletrônico operável para fornecer um controle de velocidade para um motor.

Em algumas configurações, um sinal de referência é usado para compensar variações no sinal de receptor que não estejam relacionadas com a posição da peça. Estas podem ser denominadas fatores de modo comum, e incluem ruído elétrico, variações da voltagem de suprimento, e variações de fabricação tal como a folga entre o elemento acoplador e o(s) plano(s) da bobina(s) (por exemplo, uma placa de circuito tendo o conjunto de bobina e módulo eletrônico associado). 0 sinal de referência é substancialmente independente da posição da peça de interesse quando a bobina excitatriz está energizada, e pode ser usado para processamento de sinal relaciométrico (tal como uma divisão analógica de um sinal de receptor pelo sinal de referência) para corrigir os sinais dependentes de posição quanto a fatores de modo comum. Por exemplo, o sinal de referência pode ser substancialmente insensível à posição da peça ao longo de uma direção de medição, mas pode ser sensível a variações em outras direções, tal como aquelas introduzidas por variações de fabricação.

O sinal de referência é preferivelmente gerado usando sinais surgindo do acoplamento indutivo entre a bobina excitatriz e uma ou mais outras bobinas. Em alguns exemplos, uma bobina de referência separada pode ser usada. Em outros exemplos, um sinal de referência é gerado a partir de sinais obtidos de bobinas receptoras. As derivações das bobinas receptoras podem ser usadas para obter sinais a partir dos quais o sinal de referência é então obtido.

Um sinal de referência pode ser usado para estimar a folga ou deslocamento entre o conjunto de bobina e um elemento acoplador, por exemplo para determinar um número de giros feitos em um sensor de rotação multigiro (sensor multigiro). O sinal de referência pode ser obtido combinando sinais de receptor (o termo neste contexto incluindo sinais obtidos das seções de bobinas receptoras), ou de bobinas de referência separadas. Uma bobina de referência separada e o sinal a partir dela também podem ser usados para monitorar giro (em um sensor multigiro, por exemplo para medir uma separação que varia com a rotação da coluna de direção), diagnóstico de problemas com o sensor, e similares. Um sinal de referência obtido a partir da(s) bobina(s) receptora(s) pode ser usado para os mesmos propósitos. Logo, o sinal de referência pode ser mapeado para um número de giros, e um nível de voltagem apropriado selecionado para obter a saída correta. Isto permite um sensor multigiro sem redução, com uma saída além daquela na qual sinais de outra forma começariam a se repetir (o limite do módulo). O nível de voltagem do sistema pode ser selecionado para aumentar a faixa do sensor, por exemplo somando valores deslocados ao terra do sistema.

Um aparelho exemplar para determinar uma posição de peça de uma peça compreende: uma bobina excitatriz, a bobina excitatriz gerando fluxo magnético quando a bobina excitatriz é energizada por uma fonte de energia elétrica; uma pluralidade de bobinas receptoras dispostas próximas à bobina excitatriz, as bobinas receptoras gerando uma pluralidade de sinais de receptor quando a bobina excitatriz é energizada devido a um acoplamento indutivo entre as bobinas receptoras e a bobina excitatriz; um elemento acoplador móvel tendo uma posição correlacionada com a posição da peça, o elemento acoplador modificando o acoplamento indutivo entre a bobina excitatriz e as bobinas receptoras tal que cada sinal de receptor seja correlacionado com a posição da peça; e um circuito eletrônico provendo um sinal relaciométrico derivado de pelo menos um de os sinais de receptor e um sinal de referência. O sinal de referência pode ser usado para compensar variações no sinal de receptor que não estão correlacionadas com a posição do acoplador, tal como ruido, variações da voltagem de suprimento, e variações de fabricação. O sinal de referência pode ser obtido a partir da combinação de sinais de receptor ou de sinais obtidos de seções de bobinas recebidas fazendo derivações nas bobinas. Por exemplo, um sinal de referência pode ser obtido a partir de retificação não sensível à fase de dois ou mais sinais a partir da(s) bobina(s) receptora(s) ou seções da(s) mesma(s).

O nível de voltagem do sistema pode ser ajustado, por exemplo conectando um sinal de RM a um outro para aumentar a faixa linear de sinal rotacional além do ângulo do módulo. Neste contexto, a faixa linear é uma através da qual o sinal de receptor é linear com o ângulo de rotação.

A faixa de sensor pode ser estendida, por exemplo, rastreando o número de giros ou outro ângulo de módulo que a peça tenha girado. 0 sinal AM (sinal de referência) pode ser mapeado para o número de giros. Isto é, relação direta da saida AM com a informação do módulo, que determinará o nível de voltagem do sistema para medir além do limite do módulo.

O módulo eletrônico (ou módulo) pode ser um módulo ASIC [Circuito Integrado Específico para a Aplicação] para condicionamento de sinal, isto é, um dispositivo para acionar um conjunto sensor para obter a saída.

Um corpo de bobina para um sensor rotacional pode compreender moduladores axiais (bobinas de referência, também denominadas bobinas AM ou bobina sensora de proximidade), moduladores rotacionais (RM, bobinas receptoras), e portadores (bobinas excitatrizes, ou bobinas transmissoras) que gerem o campo magnético/elétrico.

Em alguns exemplos, tal como sensores rotacionais para aplicações de controle de acelerador eletrônico, o sinal de referência pode ser usado para corrigir variações na folga entre o elemento acoplador e as bobinas receptoras. A folga é medida ao longo da direção axial das bobinas e, portanto, uma bobina de referência separada pode ser denominada um Modulador Axial (AM, ou bobina sensora de proximidade). Similarmente, um sinal de referência pode ser denominado um sinal AM. Uma bobina receptora provê um sinal dependente da rotação, e pode ser denominada um Modulador Rotacional (RM). Podem existir uma ou mais bobinas receptoras. A bobina receptora pode ter derivação em um ou mais locais para permitir a geração de um sinal de referência. A bobina excitatriz também pode ser denominada uma bobina transmissora ou Portador (CR). Entretanto, exemplos podem ser adaptados para várias configurações, tais como sensores lineares, e a referência a, p.ex., uma bobina RM como um exemplo ilustrativo não limita os conceitos inventivos a sensores de rotação somente. Alguns exemplos podem usar uma análise de sinal de modulador/desmodulador. Um modulador permite um sinal contendo o sinal de ângulo rotacional (ou qualquer sinal dependente de posição) ser multiplicado por um sinal de excitatriz. Um desmodulador é um retificador sensível à fase para o sinal modulado, que pode estender o ângulo de medição linear (ou outra faixa posicionai) até o dobro da quantidade sem o desmodulador. Um desmodulador pode ser um módulo com resistores ajustáveis [trimáveis] e oscilador LC com suas conexões. Um componente de módulo eletrônico, tal como um desmodulador, pode ser testado independente do corpo de bobina, desde que um sinal correto seja alimentado nele.

A detecção relaciométrica se relaciona com a formação de uma razão entre um sinal de receptor (ou qualquer sinal sensível à posição derivado dele e sensível à posição da peça) e um sinal de referência, de modo a remover o efeito de fatores de modo comum. 0 sinal desmodulado é formado de tal modo que a saída do sinal seja muito menos dependente da voltagem do portador (voltagem da bobina excitatriz). Neste contexto, um sinal de referência é um sinal que é substancialmente independente da posição da peça ao longo da direção de medição desejada. Ele pode ser obtido de uma bobina de referência separada, ou combinando sinais a partir de seções de uma bobina receptora, ou obtidos de outra forma. Circuitagem eletrônica pode ser usada para obter sinais dependentes de posição e independentes de posição C.C. (corrente não alternada). Um sinal relaciométrico pode ser formado por circuitagem analógica ou digital, ou alguma combinação das mesmas (tal como um divisor analógico e uma memória digital para armazenar dados de calibração).

A figura 1A representa uma configuração relaciométrica, enquanto a figura IB ilustra uma conexão diferencial para uma bobina receptora 18 formada de duas seções 12 e 14. As figuras mostram um conjunto de bobina geralmente em 20, compreendendo uma bobina excitatriz 10 e a bobina receptora 18 tendo as seções 12 e 14. Um elemento acoplador móvel é mostrado em 16, tendo uma posição correlacionada com a posição de uma peça de interesse. Em vários exemplos da presente invenção, uma bobina receptora pode ter derivação, por exemplo derivação central, proporcionando duas seções de bobina uma em cada lado da derivação. As duas seções de bobina podem ter direções opostas de enrolamento, de modo a gerar potenciais opostos dentro da bobina receptora sob excitação por fluxo magnético a partir da bobina excitatriz. Um sensor sensível à posição, tal com V3 na figura 1B, é então obtido a partir da bobina receptora o qual é sensível à posição de um elemento acoplador, tal como indicado em 16. Adicionalmente, um sinal substancialmente independente de posição do elemento acoplador pode ser formado a partir da soma das magnitudes dos sinais a partir das seções de bobina, neste exemplo V1 e V2 na figura IA.

As duas seções de bobina receptora 12 e 14 têm sentidos de enrolamento opostos, proporcionando primeira e segunda voltagens (V1 e V2 na figura IA) respectivamente em relação a uma derivação central. A diferença entre estas duas voltagens está relacionada com o acoplamento de fluxo relativo entre a bobina excitatriz 10 e a bobina receptora. O acoplamento de fluxo pode ser modulado espacialmente usando o elemento acoplador 16, tal que a diferença entre as duas voltagens seja relacionada com a posição do acoplador. Por exemplo, em um sensor rotacional, o elemento acoplador pode girar. Em um sensor linear, o elemento acoplador pode transladar linearmente. Em alguns exemplos, o movimento do acoplador pode incluir componentes tanto rotacionais quanto lineares. Na figura IA, a magnitude relativa dos dois sinais pode ser determinada. Na figura 1B, a voltagem de saída V3 é o sinal de receptor, algumas vezes denominado uma voltagem de sinal diferencial a partir da bobina receptora, que é modulada pelo efeito do elemento acoplador no acoplamento de fluxo de modo a estar correlacionada com a posição do elemento acoplador.

A figura 2 mostra a geração dos sinais de referência e receptor usando uma bobina receptora tendo uma derivação central. A bobina receptora tem primeira e segunda seções, rotuladas 30 e 32 respectivamente. Estas seções podem ser substancialmente coplanares em um substrato, por exemplo fabricado como uma placa de circuito impresso. Como ilustrado, as periferias de bobina interna e externa são poligonais, mas em outros exemplos as seções de bobina podem compreender seções curvas radiais e circulares.

Quando duas bobinas enroladas opostamente são expostas ao fluxo magnético a partir de uma bobina excitatriz, duas voltagens opostas com relação ao terra são induzidas e elas atuam como fontes de voltagem. A soma das duas voltagens opostas pode ser denominada uma voltagem diferencial, uma vez que ela é a diferença entre as duas voltagens induzidas opostas. Este sinal diferencial está correlacionado com a posição angular de um elemento acoplador, e em um sensor rotacional pode ser denominado um sinal de modulador rotacional (RM) . Adicionalmente, a soma das magnitudes das voltagens opostas pode ser usada para gerar um sinal de referência, também referido aqui como uma voltagem de modo comum ou sinal AM (Modulador Axial).

Um sinal de referência pode ser gerado de modo a ser substancialmente independente da posição rotacional de um elemento acoplador, embora sensível à separação axial de um conjunto de bobina e elemento acoplador e outros fatores de modo comum tais como voltagem do sinal de excitatriz. Um sinal de modo comum influencia tanto sinais sensíveis à posição quanto insensíveis à posição, permitindo a eliminação de tais efeitos de modo comum formando um sinal relaciométrico. O sinal de referência pode ser gerado por uma bobina de referência separada, a partir de sinais de seções de uma bobina receptora, ou por outros métodos tais como descritos aqui. Uma bobina receptora também pode ser referida como uma bobina moduladora rotacional, ou bobina RM, quando usada em um sensor rotacional. Entretanto, mesmo quando a terminologia RM é usada em exemplos abaixo, os conceitos inventivos não estão limitados a sensores rotacionais mas também podem ser usados em sensores lineares. Um sinal de referência (sinal de modo comum) pode ser gerado a partir de uma bobina receptora com derivação central como mostrado na figura 2. Se as duas seções de bobina 30 e 32 são enroladas em direções opostas entre si (p.ex., sentido horário e sentido anti-horário), então os sinais induzidos em cada seção têm polaridades opostas com relação ao terra, e podem ser denotados RM+ e RM-. Estes são análogos a V1 e V2 mostrados na figura IA. 0 sinal RM é o sinal de receptor, e está correlacionado com a posição da peça. Cada sinal pode ser um sinal alternado, mas em qualquer particular instante as voltagens induzidas podem ser opostas. A informação da posição pode ser determinada a partir de um sinal diferencial (que é zero se os dois sinais opostos tiverem a mesma magnitude), enquanto um sinal de referência é proporcionado pela soma das magnitudes de dois sinais. A figura 3 mostra um circuito eletrônico para obter um sinal de referência e sinal de receptor. Um conjunto de bobina compreende a bobina excitatriz 10 e uma bobina receptora tendo primeira e segunda seções rotuladas 12 e 14 respectivamente, como discutido acima em relação às figuras IA e 1B. Um primeiro amplificador 40 gera um sinal correlacionado com a posição da peça. O segundo amplificador 42 gera um sinal geralmente independente da posição de interesse, mas correlacionado com os fatores de modo comum. As saídas são RM (sinal de receptor) e AM (sinal de referência) em 44 e 46 respectivamente. Os sinais a partir da bobina receptora são rotulados RM+ e RM~, indicando sinais opostos a partir das duas seções de bobina receptora. Os sinais de seção de bobina receptora podem ser denotados RM+, RM", embora a invenção não seja limitada a sensores de posição rotacionais. O sinal diferencial (o sinal de receptor) tem uma correlação com a posição através de uma faixa posicionai. O sinal diferencial é o sinal resultante após a combinação de RM+ e RM-, que tendem a se opor entre si. O sinal posicionai não é definido unicamente versus ângulo através de uma ampla faixa angular. Entretanto, em um sensor multigiro, um sinal de referência pode ser usado para determinar a faixa angular (por exemplo, o número de rotações em um sensor multigiro), e portanto um aparelho pode determinar o ângulo unicamente através de uma ampla faixa posicionai.

Magnitude do sinal de referência e folga

Para obter um sinal de referência para ser inversamente proporcional à folga, o sinal independente da posição pode ser subtraído de uma voltagem de linha base, por exemplo uma voltagem de linha base derivada da voltagem do sinal de excitatriz, ou de uma porção da mesma. Por exemplo, um divisor de voltagem pode ser usado para obter uma fração pré-determinada da voltagem de excitatriz, e um primeiro sinal de referência subtraído dela para obter um segundo sinal de referência melhorado que é substancialmente independente da posição da peça. O termo sinal de referência é usado aqui geralmente para descrever um sinal sendo substancialmente independente da posição da peça, e em alguns exemplos da presente invenção um primeiro sinal independente da posição (que pode ser útil como um sinal de referência) é subtraído de uma voltagem de linha base, para obter um segundo sinal de referência tendo um relacionamento desejado com uma variável ambiental tal como os fatores de modo comum. Uma solução de exemplo é agora descrita. Usando um divisor de voltagem formado a partir de um par de capacitores (ou par de resistores) como mostrado na figura 4, a voltagem do sinal de excitatriz é reduzida para uma voltagem CRr, onde CRr = CR/2 χ C1/ (Cx + C2). Este valor pode ser engenheirado para satisfazer a equação CRr = RM+Max + RM~min, então a voltagem do sinal de referência (aqui denotada AM) pode ser engenheirada para satisfazer a equação:

<formula>formula see original document page 19</formula>

onde:

RM+máx significa a voltagem induzida da bobina RM dianteira quando o acoplador cobre completamente a bobina RM traseira com folga zero, em uma posição do acoplador (tal como uma posição de rotor) que cria fluxo magnético máximo.

RM~máx se refere à voltagem induzida da seção de bobina RM traseira quando o acoplador cobre completamente a bobina RM dianteira com folga zero no grau de temperatura que cria fluxo magnético máximo. Exemplos da implementação são discutidos abaixo os quais podem criar um sinal AM tendo propriedades desejadas; e

CRr é a voltagem de linha base derivada do sinal de excitatriz.

Entretanto, a invenção não está limitada a qualquer particular derivação da voltagem de linha base. Por exemplo, uma voltagem de linha base pode ser obtida usando o sinal de excitatriz, outro oscilador ou circuito preferivelmente no mesmo suprimento de energia, o nivel de suprimento de energia, local de memória armazenado definindo uma voltagem de linha base, ou outra fonte. A figura 4 mostra um divisor de voltagem permitindo o sinal CRr de voltagem de linha base ser engenheirado para combinar com a soma de valores absolutos de duas seções opostas de bobina RM em seus máximos. Este sinal CRr, obtido na saida 64 dentro de uma ponte capacitiva através de uma seção da bobina excitatriz 60, pode ser obtido ou pela divisão capacitiva como mostrado, ou por divisão resistiva usando um par de resistores. Neste exemplo, CRr é obtido por coleta de voltagem, e a derivação central 62 é conectada ao terra. A figura 5 mostra a geração de um sinal CRr usando coleta de corrente. Este exemplo usa uma bobina excitatriz 80 e um gerador de CRr usando a bobina excitatriz secundária 82 e bobina de sinal de referência suplementar 84. Neste exemplo, a combinação de bobinas 82 e 84 é provida por um transformador de isolação. Agui, o sinal CRr é obtido da saida 86 do enrolamento secundário do transformador de isolação, o enrolamento primário sendo a bobina excitatriz secundária. Em exemplos adicionais, a bobina de referência suplementar 84 é localizada de modo a ficar próxima à bobina excitatriz 80, e energizada pelo fluxo a partir da bobina excitatriz 80, tal gue a bobina excitatriz secundária 82 seja omitida. A figura 6A mostra a geração do sinal de referência corrigido para folga (AM) usando a voltagem de linha base denotada CRr. Este é um circuito de acoplamento de voltagens, gue não é teoricamente exato mas na prática pode ser usado quando a indutância da bobina excitatriz (CR) for aproximadamente constante. O termo CRr pode representar uma voltagem de linha base derivada do sinal de excitatriz. Retificação ou outro processamento de sinal pode ser usado para obter níveis de voltagem de linha base C.C. se desejado. O conjunto de bobina mostrado geralmente em 100 inclui uma bobina excitatriz e uma bobina receptora, e é similar à configuração mostrada na figura 1. Logo, a bobina excitatriz 10 e as seções de bobina receptora 12 e 14 podem ser usadas, como descrito mais completamente em relação à figura 1. Um sinal CRr é obtido formando ponte capacitiva de uma seção da bobina excitatriz, como mostrado na figura 4. O amplificador 106 é usado para obter uma subtração do sinal diferencial do sinal CRr, de modo a obter um sinal de referência melhorado 110. 0 amplificador operacional 104 é usado para proporcionar um sinal de receptor (sinal RM) em 108, como descrito em relação à figura 3. A saída 108 pode ser igual à saída 44 na figura 3, mas o sinal de referência (AM) foi subtraído do sinal CRr.

A figura 6B mostra um circuito acoplador de correntes usando um transformador de isolação. A voltagem induzida de CRr permanece em fase com CR e permanece uma boa fonte de voltagem, com baixa impedância para o amplificador. Os sinais de referência obtidos usando os circuitos das figuras 6A e 6B (nas saídas 110 e 112 respectivamente) podem ser denominados sinais de referência corrigidos para folga, uma vez que por seleção apropriada da voltagem de linha base um sinal de referência corrigido para folga se torna maior à medida que a folga entre um conjunto de bobina incluindo as bobinas receptoras e o elemento acoplador diminui. Esta é a mesma tendência que o sinal de receptor (neste caso, o sinal em 108), segue. Logo, o sinal de referência corrigido para folga pode ser usado para corrigir variações de folga.

Neste exemplo, o conjunto de bobina inclui uma bobina excitatriz e bobinas receptoras que podem ser iguais às mostradas na figura IA, e em adição um sinal CRr é gerado usando coleta de corrente. Este exemplo usa a geração de CRr usando uma bobina excitatriz secundária 122 e a bobina de sinal de referência suplementar 126, por exemplo como discutido acima em relação à figura 5, por exemplo na forma de um transformador de isolação que é separado da bobina excitatriz acoplada indutivamente às bobinas receptoras. O sinal CRr é obtido da saída 128, e é usado pelo amplificador 106 para gerar o sinal de referência para correção de fatores de modo comum. Em exemplos adicionais, a bobina excitatriz secundária é omitida, por exemplo, eliminando o uso de um transformador de isolação, e a bobina de referência suplementar é localizada próxima à bobina excitatriz, de modo a ser energizada pelo fluxo a partir da bobina excitatriz.

Projeto de bobina relaciométrica

A figura 7 mostra geralmente em 140 um design de bobina bipolar para prover um sinal de receptor (RM, sinal de modulador rotacional) e um sinal de referência (AM, sinal de modulador axial) para um sensor de rotação melhorado. Neste exemplo, a bobina de referência é um Ioop único 142, e a bobina receptora compreende uma estrutura diferencial. As setas circunferenciais indicam as direções relativas de potenciais induzidos (que se alternam com o tempo) , tal que a saida do sinal de receptor seja a soma de potenciais opostos em porções enroladas opostamente. Por exemplo, os potenciais induzidos em porções curvas externas adjacentes 144 e 146 tendem a se opor no sinal de receptor resultante obtido das saídas RMF e RMB. Similarmente, os sinais em porções curvas internas adjacentes são opostos. Um conjunto de bobina pode compreender adicionalmente uma bobina excitatriz, a qual pode ser geralmente circular e com um raio similar à bobina de referência (também por exemplo, similar ao raio externo da bobina receptora). Em alguns exemplos, a amplitude do sinal independente de posição a partir da bobina de referência não diferencial pode ser subtraída de um nível de linha base. A figura 8 mostra um design de bobina receptora de 5 pólos geralmente em 160, com uma bobina de referência externa 162 e uma bobina receptora tendo uma estrutura diferencial. Porções substancialmente circunferenciais adjacentes da bobina de referência contribuem com potenciais opostos para o sinal de receptor. Neste exemplo, as bobinas são bobinas poligonais, que facilitam a fabricação em alguns exemplos (tal com conjunto usando hastes metálicas em uma estrutura de trabalho), e também facilitam a ilustração. Em outros exemplos as bobinas ao invés podem ser curvas (ou formato de cunha circular). Neste exemplo, o par de bobinas RM é diferencial ao redor do terra, enquanto a bobina AM (bobina de referência de loop único 162) não é diferencial, mas ela pode ser tornada efetivamente diferencial usando um circuito eletrônico. Por exemplo, o sinal de referência pode ser subtraído de um valor de linha base, tal com o sinal CRr provido por outros exemplos.

0 sinal de referência (AM) é fornecido na saída 168, e os sinais de receptor são fornecidos nas saídas 170 e 172, com a saída 174 fornecendo uma derivação central para a bobina receptora.

Um conjunto de bobina pode compreender adicionalmente uma bobina excitatriz, a qual pode ser geralmente poligonal ou circular e com um raio (ou dimensão equivalente, tal como uma distância do centro médio até a periferia) similar ao raio ou dimensão equivalente das bobinas de referência ou receptoras.

A figura 9A mostra uma placa ferrometálica 200 posicionada de modo a amplificar a potência do sinal das bobinas receptoras e de referência, proporcionando um sensor de tamanho reduzido. A placa ferromagnética (placa de ferro) é suportada no lado oposto de uma estrutura de conjunto de bobina a partir do elemento acoplador 210. Neste exemplo o elemento acoplador é um rotor, embora esta solução seja vantajosa também para sensores lineares. O conjunto de bobina compreende a bobina de referência (AM, neste caso um Ioop único) 208 no substrato 202 (por exemplo, uma placa de circuito), com outros substratos 206 e 204 opcionalmente providos para suportar outros componentes. A placa ferromagnética atua como uma placa amplificadora de sinal, e pode compreender qualquer material ferromagnético (incluindo ferrita em altas freqüências), ou outro material capaz de aumentar o acoplamento indutivo.

A figura 9B mostra o núcleo indutor como material de ferro (p.ex., aço ferromagnético) ou ferrita inserido dentro do substrato de suporte, o qual pode ser uma placa de circuito tal como uma placa de fiação impressa. Em altas freqüências da bobina excitatriz, tal como 1 MHz e acima, um material de ferrita pode se comportar como um material ferromagnético, permitindo o tamanho do sensor ser reduzido. Também, a indutância é aumentada de modo a ser mais independente da influência da temperatura na bobina CR (excitatriz).

A figura 9B ilustra geralmente a posição dos componentes em um substrato 220. Um conjunto de bobina ilustrado de modo simplificado em 222 compreende uma bobina receptora (não mostrada em detalhes) e uma bobina de referência de loop único (também ilustrada de modo simplificado) ao redor da periferia externa. Para obter um sinal de referência reforçado, estruturas de bobinas adicionais tais como 224 são conectadas em um arranjo em série na bobina de referência por derivação no loop. As estruturas de bobinas adicionais têm um núcleo ferromagnético, tal como um disco ou placa ferromagnético suportado no substrato, de modo a aumentar o sinal de referência. A circuitagem eletrônica pode ser suportada pelo mesmo substrato (que pode ser uma placa de circuito impresso) em locais tais com 228. As saídas são fornecidas na borda do substrato em 230, por exemplo, permitindo o conjunto ser inserido em uma fenda de recepção.

Em alguns exemplos, as estruturas de bobinas adicionais podem ser usadas como uma fonte de voltagem de linha base. Em alguns exemplos, uma solução similar usando estruturas de bobinas adicionais tendo um núcleo ferromagnético também pode ser usada para reforçar a indutância de bobinas receptoras. Um núcleo de ar pode ser usado se o CRr obtido for suficiente.

Circuito eletrônico e condicionamento de sinal A figura IOA mostra um aparelho compreendendo um conjunto de bobina geralmente em 100, neste exemplo como mostrado na figura 6A, com sinal CRr obtido de uma ponte capacitiva em 102, novamente como discutido acima em relação à figura 6A. As saídas dos amplificadores 104 e 106 da configuração da figura 6A são aqui passadas para retificadores de Célula de Gilbert 240 e 242, usados como amplificadores diferenciais. Antes de entrar no circuito de Célula de Gilbert, acoplamentos AC (capacitivos) são usados para isolar o circuito de Célula de Gilbert do nível do terra virtual e o nível de voltagem é ajustado para um adequado para a Célula de Gilbert. Era outros exemplos, amplificadores operacionais ou outra circuitagem podem ser usados ao invés de células de Gilbert. A circuitagem eletrônica pode ser implementada, em parte ou ao todo, como um ASIC.

A figura IOB mostra uma versão de acoplamento de correntes do circuito da figura 10A, usando um conjunto de bobina mostrado geralmente em 120 com o uso de um transformador de isolação para prover um sinal CRr em 128 como discutido em relação à figura 6B. Outros aspectos são similares ao circuito da figura 10A. Configurações adicionais do circuito eletrônico Para vários exemplos discutidos, o zapeamento [por diodo] Zenner ou outro circuito lógico programável pode ser usado para modificar níveis de voltagem, tal como níveis de terra virtual, e níveis de sinais de controle. Outras formas de memória estática podem ser usadas. Em exemplos representativos usados como um controle de acelerador eletrônico de um automóvel, o sinal de entrada pode ser 20 mV em seu máximo na razão máxima de um. As magnitudes dos sinais RM máximo e AM máximo podem ser iguais. A figura IlA mostra um esquema de exemplo adicional de um circuito eletrônico, no qual o circuito eletrônico é controlado dentro de uma unidade 260. O aparelho também inclui o conjunto de bobina 100, amplificadores 104 e 106, e circuitos de célula de Gilbert 240 e 242 como discutido em maiores detalhes em outro lugar nesta especificação, que não serão repetidos aqui por consciência. Aqui, a representação dos circuitos de célula de Gilbert incluem componentes auxiliares. Neste exemplo, as saídas dos circuitos de célula de Gilbert 240 e 242 são passadas para um circuito relaciométrico, tal como um divisor analógico. Um divisor digital também pode ser usado).

Neste exemplo, a configuração default pode ser uma condição lógica desativada, na qual um comutador selecionável acionado por lógica sempre conecta o sinal RMl. Deste modo, uma função ETC (Controle de Acelerador Eletrônico) pode ser obtida usando a saida em 268, na qual fatores de modo comum foram substancialmente eliminados.

A figura 11B mostra uma outra versão do circuito da figura 11A, usando um transformador de isolação para prover o sinal CRr em 128, o qual foi discutido em maiores detalhes acima em relação às figuras 5B e 6B. A saida relaciométrica em 270 pode ser usada em aplicações de ETC (Controle de Acelerador Eletrônico).

A figura 12A mostra uma configuração estendida, a qual pode ser usada para aplicações de faixa angular, incluindo sensores multigiro. 0 conjunto de bobina mostrado geralmente em 300 inclui uma bobina excitatriz 302 e um par de bobinas receptoras 304 e 306, tendo um deslocamento relativo de fases entre elas. Dois sinais de receptor são obtidos, rotulados RMl e RM2, permitindo uma resposta linear ser obtida através de uma ampla faixa angular.

Um circuito eletrônico é mostrado em 301. A porção de circuito em 308 é similar àquela discutida em relação à figura 6A, e provê um primeiro sinal de receptor RMl em 312. Um segundo circuito gerador de RM é provido em 310, associado com a segunda bobina receptora, para gerar RM2 em 314. Somente um sinal AM é gerado aqui, como discutido acima em relação à figura 6A. Os sinais RMl e RM2, junto com o sinal de referência AM passam pelos circuitos de célula de Gilbert tais como 316 para o circuito divisor 318 (RMl e AM) e 320 (RM2 e AM). Um comutador acionado por lógica 332, acoplado ao comparador 322, é operacional para ampliar um módulo (faixa de sinais dependentes de ângulo únicos) em uma forma de sinal de dente de serra. 0 comutador seleciona sinais relaciométricos obtidos usando RMl, sinal invertido usando RMl, RM2, ou sinal invertido usando RM2, e o sinal selecionado é emitido em 330 seja diretamente ou como modulação de largura de pulso. Esta solução pode ser usada para obter sinais RM adicionais a partir de bobinas receptoras adicionais.

Neste modo, o condicionador de sinal pode identificar uma posição única dentro de um módulo, o qual compreende 4 segmentos de sinal lineares, por operação lógica. 0 circuito lógico pode determinar a faixa angular correta usando um contador de pilha, e prover um valor de deslocamento para adicionar ao sinal de saida para obter uma resposta linear através de uma ampla faixa angular. No caso de um sensor rotacional, o deslocamento de fase entre as bobinas receptoras pode ser relacionado com 360 graus divididos pelo dobro do número de pólos para cada bobina, p.ex., 90 graus para um par de bobinas bipolares. A freqüência PWM, determinada por PWM 324, pode ser selecionável via ajuste de elemento passivo, ou elemento passivo interno com definição de zap de Zenner ou outra lógica estática. A faixa de freqüência pode ser, por exemplo, de 100 Hz a 1 kHz. Esta configuração estendida pode ser usada diretamente em um sensor combinado de direção (p.ex., um sensor de torque e ângulo de direção combinados) devido à característica de medição relaciométrica de folga.

O circuito divisor 326 é usado para prover uma saída de folga 328, formando uma razão do sinal AM e do sinal CRr. A saída de folga pode ser usada para determinar um valor de módulo, tal como o número de giros em uma aplicação de sensor multigiro.

Três funções integradas ao redor de um chip relaciométrico com pequenos modos operacionais de seleção permitem tanto operação de ângulo pequeno quanto operação de ângulo grande. Um bloco de processamento RM adicional permite um processamento de módulo completo (tal como uma faixa de 360 graus), o processamento PWM, e a detecção de folga usando a razão dos sinais AM para CRr.

A figura 12B mostra uma versão de acoplamento de correntes do circuito da figura 12A. O circuito eletrônico 301 é o mesmo que na figura 12A, com o conjunto de bobina 340 usando um transformador de isolação 342 para gerar o sinal CRr. Esta configuração pode ser similar àquela descrita em relação às figuras 5 e 6B.

O zapeamento Zenner, ou outra memória estática ou lógica programável, podem ser usados para ajustar níveis de voltagem. Valores exemplares são zapeamento Zener de largura de cinco bits para ajuste de tolerância de fabricação; platô superior: 3 bits; platô inferior: 4 bits; calibração de sinal ao longo de percurso de ângulo: seis bits para cobrir ±3,2 graus (em um ajuste de sensor de rotação).

A figura 13A ilustra os efeitos de acoplamento capacitivo na fase de saída. Neste exemplo, o conjunto de bobina 100 é igual àquele descrito na figura 6B. Os capacitores indicados em 362 e 360 são mostrados para representar o acoplamento capacitivo, e não representam componentes discretos. As setas 366 e 368 representam fases relativas possíveis da saída dos amplif icadores 104 e 106, em relação à fase do sinal de excitatriz representado pela seta 364. A orientação relativa das setas é representativa de fases de sinais relativos. Em um caso ideal de Q infinito para a bobina excitatriz (CR), nenhum acoplamento capacitivo entre CR e RM, e com taxa de giro infinita para os amplif icadores (amplificadores operacionais 104 e 106): Se CR estiver acionando todo o circuito com Vcr*sen(wt) e Am for a amplificação do primeiro op-amp [amplificador operacional] dividida por aquela do segundo op-amp, e o fator de acoplamento for assumido k, e a razão de enrolamentos da bobina for um, então a corrente no tanque é Qr*d (Vcr*sen (ώt) /dt = Qr*Vcr*cos (ώt) , que é induzida na bobina receptora (RM), junto com a conseqüência da lei de Lenz que torna a voltagem CR em fase com a voltagem induzida, então como segue:

Vsrm = k (RM+-RM-) *Vcr*Arm (2)

Vsam = k* (Rm++RM--CRr) *Vcr*Aam (3) A indução de voltagem também pode ser obtida por uma trajetória de ruído:

Vnrm = C*d (Vcr) /dt*R*Arm = j wC*Vcr*Req*Arm (4)

Vnam= C*d (Vcr) /dt*R*Aam) = j wC*Vcr*Req*Aam (5) onde Req representa a resistência do loop de RMs.

As voltagens induzidas totais são:

Vrm = Vsrm+Vnrm = Arm[k (RM+-RM") *Vcr+j coC*Vcr] (6)

Vam = Vsam+Vnam = Aam [k* (RM+-RM-CRr) *Vcr+j coC*Vcr] (7)

A voltagem CRr relativamente grande na segunda equação acima torna Vam fora de fase de Vrm. As setas representam o atraso de fase resultante, mostradas como o ângulo em 370, o qual pode ser denotado Φ. Este atraso de fase pode causar derivação de sinal devido à variação de temperatura, tal que o atraso de fase deva ser minimizado, ou um dispositivo de ajuste de fase (ou divisor RC) instalado após o amplificador de sinal de referência (AM) 106.

A figura 13B mostra um método alternativo para controlar fase usando acoplamento CA, usando o circuito deslocador de fase 380. Usando o acoplamento CA entre o op-amp somando AM e CRr, a fase pode ser corrigida como mostrado. Neste caso a combinação de vetores de R + jwC é cuidadosamente escolhida para alinhar o vetor de voltagem com Vrm. A figura 13A mostra o circuito de deslocamento de fase introduzido entre a saída de ponte capacitiva 102 e o amplificador 106. Estes componentes são adicionados ao circuito mostrado na figura 6A.

O termo CRr' indica o vetor de voltagem através da combinação de vetores de impedância (resistor e capacitor), como indicado usando o diagrama de fase em 388. O termo CRr' é controlado para conseguir o CRr desejado através dos vetores de impedância. Este circuito deslocador de fase pode ser construído em um chip de silício, tal com um ASIC usado para outros componentes do circuito.

A minimização da diferença de fases entre Vrm e Vam não somente minimiza o ruído mas maximiza a eficiência da multiplicação. Se Vrm e Vam estão em fase, pequena derivação da fase tem virtualmente nenhum efeito no ruido e eficiência da multiplicação.

Amplitude do sinal CRr

Em uma solução exemplar, CRr é definido para ser a soma dos valores absolutos (magnitudes) de RM+ (sinal a partir da seção de enrolamento dianteira da bobina receptora) e RM- (sinal a partir da seção de enrolamento traseira da bobina receptora). 0 sinal RM máximo se refere à saida de RM de enrolamento dianteiro ou traseiro quando RT cobre um deles completamente.

Idealmente o valor de CRr é o dobro do valor do RM máximo, o qual é suposto a ser uma saida de seção de bobina de um RM com um rotor (ou outro elemento acoplador) cobrindo totalmente a outra seção de bobina de RM. O valor de CRr também pode ser determinado tomando a soma de tanto RM+ quanto RM" com o elemento acoplador removido, embora outra solução seja medir o elemento acoplador bloqueando um RM completamente para conseguir um valor dianteiro de RM, e repetir a medição com o elemento acoplador bloqueando o outro RM, e somar ambas destas medições.

A partir do ponto de vista estritamente teórico, as duas medições podem ser diferentes devido à influência de fluxo magnético a partir do elemento acoplador, e devido à eficiência do elemento acoplador. O RM máximo pode ser igual, independente do método de medição, e grosseiramente o dobro do valor daquele em folga nominal. As figuras 14A-14C mostram sinais possíveis a partir do circuito da figura 3 como uma função da posição do elemento acoplador.

A figura 14A mostra RMF (sinal da seção de enrolamento dianteiro de modulador rotacional, também indicado como RM+), RMB (seção de enrolamento traseiro, RM~) e COM, que aqui é a soma de RM+ e RM". Aqui, os valores de pico de RM+ caem da esquerda para a direita, os valores de pico de RM" aumentam da esquerda para a direita, e os valores de pico da soma tendem a permanecer constantes. Por exemplo, o pico 400 representa um valor de pico da curva da soma. O pico 400 é um pico da combinação. A magnitude do sinal quando o acoplador é removido pode ser o dobro da magnitude do máximo mostrado na figura 14A.

A figura 14B mostra os valores de RM como uma função da posição do elemento acoplador a partir da razão do máximo para o mínimo. Por exemplo, a curva 402 é o sinal RMB. A figura 14C mostra um valor possível de CRr, igual ao pico em 404.

A figura 14D ilustra como os sinais AM e RM (420 e 422 respectivamente) variam com a folga. Neste exemplo, o sinal AM é subtraído de uma voltagem de linha base constante, o valor de CRr, tal que o sinal de referência resultante aumente com a diminuição na folga. Isto melhora a correção da folga em controles de acelerador eletrônico, e adicionalmente pode melhorar a correção para outros fatores de modo comum (tal como temperatura) nesta e em outras aplicações. Sinais e a razão relaciométrica

Para dois casos extremos, o efeito da folga e temperatura são examinados como segue. Se estes dois casos se provarem ser verdadeiros, então todos os outros casos podem ser uma combinação dos dois com graus variados daquelas extremidades.

Prova de compensação de folga: Assume-se que a eficiência do acoplador seja 100%, e o RM traseiro seja completamente coberto pelo acoplador, e então o sinal de modo comum máximo (AM em máx.) satisfaz:

CR^r = max RM+ + max RM" (8)

AM = CR^r - (RM+ + RM") (9)

AMemFolga_zero = maX_RM+ (10)

Consequentemente, a razão RM/AM é igual para todas as variáveis da folga.

A figura 15 ilustra que o sinal relaciométrico RM/AM é independente da folga, após a subtração do sinal independente de posição de uma voltagem de linha base, como mostrado como a linha 442. Nesta figura, a linha 440 ilustra como o sinal AM varia com a folga, o valor de AM sendo o valor da linha 440 subtraído do valor constante de CRr mostrado acima como uma linha tracejada 446, e também como o sinal RM varia com a folga como a linha 444. Um sinal independente de posição é um sinal substancialmente independente de uma posição desejada a ser medida. Um sinal independente de posição é substancialmente independente de rotação do elemento acoplador em um sensor de posição rotacional, mas pode ser sensível a folga, a separação axial do conjunto de bobina e elemento acoplador.

Prova de compensação de temperatura: A eficiência do acoplador é assumida a ser 100 por cento, e o acoplador cobre 75 por cento do RM traseiro (25 por cento do RM dianteiro é coberto ao mesmo tempo devido à configuração do acoplador e bobinas de RM) , tal que a voltagem induzida do RM dianteiro seja maior. O RM começa com um ganho de 50 por cento, em oposição ao caso anterior. Entretanto, com a folga em zero e a eficiência do acoplador em 100 por cento, este recupera o mesmo valor inicial de nível de AM como esperado.

A figura 16 ilustra que quando a temperatura vai para um máximo extremo, o CR cai para zero no mesmo local como mostrado no gráfico. Do mesmo modo as outras curvas vão na mesma direção e caem para zero no mesmo local. Em combinação de valores de folga e temperatura, o plano relaciométrico para dois sinais de modo comum é geralmente constante, enquanto o plano da voltagem de acionamento (CRr) e plano de sinal varia um pouco sobre o plano da temperatura e folga. Configuração alternativa

Os métodos usados para obter um sinal de referência podem ser adaptados para uso com outros sensores, tal com sensores Hall.

As figuras 17 e 18 mostram um sinal de referência (AM) obtido de um sensor Hall tripolar, o qual pode então ser usado para compensar sinais de posição a partir dos sensores Hall para fatores de modo comum, por exemplo usando uma solução relaciométrica. Isto não foi conseguido anteriormente em aplicações automotivas.

Nestes exemplos, os sensores Hall têm geometrias de estrela e delta. Estes podem ser projetados como geometrias fisicas em um chip, ou em outros exemplos como configurações elétricas dos sensores Hall, que não necessitam ter as orientações fisicas mostradas.

A figura 17 mostra sensores Hall 480 em uma configuração delta com eletrodos detectores e de acionamento 484 e 486 como mostrados. Um conjunto de diodo 482 é usado para obter a saida do sinal de referência em 490.

A figura 18 mostra uma configuração em estrela de sensores Hall similares, com a saida do sinal de referência mostrada em 494.

Configurações similares podem ser usadas para obter um sinal de referência a partir de bobinas receptoras configuradas eletricamente em delta. Preferivelmente, a queda de voltagem do diodo é minimizada. Logo, um sinal de referência (AM) pode ser obtido a partir de uma soma de sinais retificados de sensores, onde os sinais de sensores são obtidos a partir das bobinas receptoras. Sensores Hall, sensores capacitivos, sensores piezo, ou outros sensores de posição, para obter sensores de posição (incluindo sensores de nivel de combustível) compensados quanto a fatores de modo comum.

Exemplos da presente invenção também incluem sensores lineares, por exemplo tendo um elemento acoplador com formato de U ou configurado de outra forma. Sensores de posição lineares melhorados incluem uma bobina receptora com derivação central, permitindo um sinal AM ser produzido com uma bobina de referência separada. 0 sinal AM pode ser formado subtraindo-o de um valor de linha base, por exemplo alguma fração da voltagem excitatriz, seja derivada de um circuito em ponte ou um transformador de isolação. A figura 19 mostra uma bobina receptora para um controle de acelerador eletrônico, com um elemento acoplador provido na extremidade de uma extremidade abaulada de um conjunto de pedal. Neste exemplo, um sinal de referência pode ser obtido usando uma derivação central próxima (ou dentro) da conexão de cruzamento da bobina receptora, por exemplo usando a configuração mostrada na figura 3, ou uma bobina AM de Ioop único usada.

A figura mostra uma estrutura de bobina receptora diferencial 460 com saida em 466, elemento acoplador 464 como uma placa metálica suportada na extremidade de uma extensão de braço de pedal 462. A depressão do pedal move a extensão do braço de pedal ao longo de uma trajetória curva modificando o bloqueio do fluxo relativo para as seções da bobina receptora. Uma derivação central pode ser incluída em 468 (a derivação central não tem que estar no centro exato), tal que sinais dependentes da posição e independentes da posição possam ser obtidos deste conjunto de bobina.

Sensores de posição indutivos são descritos nos pedidos de patentes U.S. publicados concedidos comumente: 2008/0007251 (Sensor de ângulo de giro de direção); 2007/0194782 (Sensor de posição indutivo...); 2007/0001666 (Sensor de posição indutivo linear e rotacional); 2006/0255794 (Sistema de condicionamento de sinal para sensor de posição indutivo); 2006/0233123 (Sensor de posição indutivo com condicionamento de enrolamento corretivo de modo comum e de sinal amplificado); 2005/0225320 (Sensor de posição indutivo); e 2005/0223841 (Sensor indutivo para controle de acelerador eletrônico veicular). As configurações da presente invenção incluem os exemplos descritos nelas, adaptados (por exemplo) para incluir uma ou mais bobinas receptoras com derivação, e incluindo adicionalmente um circuito eletrônico operável para gerar sinais independentes de posição usando os métodos descritos aqui, e exemplos nos quais um sinal independente de posição é subtraído de uma voltagem de linha base para gerar um sinal de referência melhorado.

A invenção não está restrita aos exemplos ilustrativos descritos acima. Exemplos não são intencionados a serem limitações para o escopo da invenção. Métodos, aparelhos, circuitos, composições de materiais, e similares descritos aqui são exemplares e não intencionados como limitações para o escopo da invenção. Mudanças nela e outros usos ocorrerão àqueles experientes na técnica. 0 escopo da invenção é definido pelo escopo das reivindicações.

Claims (15)

1. Aparelho para prover um sinal relacionado com uma posição de um elemento acoplador, caracterizado pelo fato de incluir: uma bobina excitatriz, a bobina excitatriz sendo operável para gerar fluxo magnético quando a bobina excitatriz é energizada; uma bobina receptora, a bobina receptora sendo operável para gerar um sinal de receptor quando a bobina excitatriz é energizada devido a um acoplamento indutivo entre a bobina receptora e a bobina excitatriz, o acoplamento indutivo sendo modificado por movimento do elemento acoplador tal que o sinal de receptor seja correlacionado com a posição do elemento acoplador, a bobina receptora tendo uma primeira seção gerando um primeiro sinal de seção, e uma segunda seção gerando um segundo sinal de seção; e um circuito eletrônico, operável para gerar um sinal dependente de posição usando o sinal de receptor, o sinal dependente de posição sendo correlacionado com a posição do elemento acoplador, o circuito eletrônico sendo adicionalmente operável para gerar um sinal independente de posição usando o primeiro sinal de seção e o segundo sinal de seção, o sinal independente de posição sendo substancialmente independente da posição do elemento acoplador.

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o circuito eletrônico ser adicionalmente operável para gerar um sinal relaciométrico usando o sinal dependente de posição e o sinal independente de posição.

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser um sensor de posição rotacional.

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser um sensor de posição linear.

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser um controle de acelerador eletrônico.

6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o circuito eletrônico ser adicionalmente operável para gerar um sinal de referência, o sinal de referência sendo substancialmente independente da posição do elemento acoplador, o sinal de referência sendo gerado subtraindo o sinal independente de posição de uma voltagem de linha base.

7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de o circuito eletrônico ser adicionalmente operável para gerar um sinal relaciométrico usando o sinal dependente de posição e o sinal de referência.

8. Aparelho, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de a voltagem de linha base ser obtida de um sinal excitatriz usado para energizar a bobina excitatriz.

9. Aparelho, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de a voltagem de linha base ser obtida a partir do sinal excitatriz usando um circuito de ponte.

10. Aparelho, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de a voltagem de linha base ser obtida do sinal de excitatriz usando um transformador de isolação.

11. Aparelho, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de a voltagem de linha base ser maior do que o sinal independente de posição.

12. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender uma pluralidade de bobinas receptoras, o sinal de referência sendo gerado usando uma pluralidade de sinais de receptor.

13. Aparelho para prover um sinal relacionado com uma posição de um elemento acoplador, caracterizado pelo fato de incluir: uma bobina excitatriz, a bobina excitatriz sendo operável para gerar fluxo magnético quando a bobina excitatriz é energizada; uma bobina receptora, a bobina receptora sendo operável para gerar um sinal de receptor quando a bobina excitatriz é energizada devido a um acoplamento indutivo entre a bobina receptora e a bobina excitatriz, a bobina receptora tendo uma primeira seção gerando um primeiro sinal de seção, e uma segunda seção gerando um segundo sinal de seção, o acoplamento indutivo sendo modificado por movimento do elemento acoplador tal que o sinal de receptor seja correlacionado com a posição da peça, um circuito eletrônico operável para gerar um sinal dependente de posição usando o primeiro sinal de seção e o segundo sinal de seção, o sinal dependente de posição sendo correlacionado com a posição do elemento acoplador, o circuito eletrônico sendo adicionalmente operável para gear um sinal independente de posição usando o primeiro sinal de seção e o segundo sinal de seção, o sinal independente de posição sendo substancialmente independente de posição do elemento acoplador, o circuito eletrônico adicionalmente operável para gerar um sinal de referência, o sinal de referência sendo substancialmente independente da posição do elemento acoplador, o sinal de referência sendo gerado subtraindo o sinal independente de posição de uma voltagem de linha base.

14. Aparelho, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de o circuito eletrônico ser operável para gerar o sinal dependente de posição usando uma diferença entre o primeiro sinal de seção e o segundo sinal de seção, o circuito eletrônico sendo operável para gerar o sinal independente de posição usando uma combinação do primeiro sinal de seção e do segundo sinal de seção.

15. Aparelho, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de a voltagem de linha base ser obtida de um sinal excitatriz usado para energizar a bobina excitatriz.