CN101506620B - 转向角传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定轴的角位置的设备，如转向柱，其包括线圈组、线圈支座和耦合器元件，该耦合器元件具有与所述轴的所述角位置有关的耦合器角位置。线圈组包括发送器线圈和至少一个接收器线圈，所述耦合器元件改变所述发送器线圈和至少一个接收器线圈之间的电感耦合。信号处理电路从所述线圈组接收线圈信号和参考信号，并且使用接收器信号和参考信号确定所述角位置，该参考信号与轴向位移有关，然而在别的方面基本上独立于角位置。所述参考信号可以用于比率度量感测，以基本上消去共模因子，并且还确定所述轴的转数。组合的角和扭矩传感器进一步确定扭杆两端的扭转角。

Description

转向角传感器
技术领域
本发明涉及传感器，包括转向角传感器、扭矩传感器和其他类型的转动或线性位置传感器。
背景技术
传统的转动传感器限于360度范围内的测量。扩大角测量范围以允许多圈转动感测将是非常有用的。
用于汽车的转向组件包括分离的角测量和扭矩测量，带有用于扩大角传感器的范围的减速齿轮。
发明内容
本发明的示例包括多圈转动传感器，其用于角位置(角)测量，特别是用于转向角传感器测量。示例的传感器不需要减速齿轮。本发明的示例也包括组合的角和转向扭矩传感器，其在单一外壳内的设备中确定转向角和转向扭矩。
一种用于确定轴的角位置的设备，如转向柱，其包括线圈组、线圈支座和耦合器元件，该耦合器元件具有与所述轴的所述角位置有关的耦合器角位置。线圈组包括发送器线圈和至少一个接收器线圈，所述耦合器元件改变所述发送器线圈和所述至少一个接收器线圈之间的电感耦合。信号处理电路从所述线圈组接收线圈信号和参考信号，并且使用接收器信号和参考信号确定所述角位置，该参考信号与轴向位移有关，然而在别的方面基本上独立于角位置。所述参考信号可以用于比率度量感测，以基本上消去共模因子，并且还确定所述轴的转数。
组合的角和扭矩传感器进一步确定扭杆两端的扭转角。用于确定包括由扭杆互连的第一轴和第二轴的转向柱的转向角及转向扭矩的示例设备，包括可操作用于确定第一轴的角位置(转向角)的第一转动传感器，其包括线圈组和耦合器元件，该线圈组和耦合器元件被配置以提供与第一轴的角位置有关的信号和参考信号。参考信号随着例如线圈组和耦合器元件之间的轴向位移变化。随着轴旋转，其啮合螺套(thread sleeve)以产生改变参考信号的角偏移量。除了轴旋转导致的轴向位移的机械驱动变化外，参考信号基本上独立于角位置。参考信号可以用于追踪轴的转数，允许开发多圈转动传感器。关联第二轴的第二转动传感器包括第二线圈组和第二耦合器元件，第二转动传感器可操作以提供与第二轴的角位置有关的第二信号。第一轴和第二轴之间角位置的差值可以用于确定扭转角并确定扭杆两端的扭矩。因此，转向扭矩可以由第一轴的角位置和第二轴的角位置之间的扭转角确定，使用两个传感器确定该扭转角。
参考信号可以用于确定第一轴的转数以扩大第一转动传感器的角范围使其超过一个回转(或者不管传感器的模角如何，该模角是角范围，在该角范围内可以得到非重复信号)。参考信号(例如其电平)可以被映射到轴的回转数。电平可以根据回转数被调整，以便在多圈转动中可以得到单调且基本上可能的线性信号，而不需要减速齿轮。
线圈组可能包括多个接收器线圈和用于提供第一参考信号的可选择的参考线圈。在其他示例中，可能从接收器信号的组合得到参考信号。该方法被概括并可能与其他角传感器如霍尔效应传感器一起使用。线圈组可能包括多个接收器线圈，并且使用得自该线圈的多个接收器信号确定参考信号。
轴向位移可能在线圈组和相应耦合器元件之间。例如，PCB或其他线圈支座可能由螺纹支座支撑，该螺纹支座通过轴的旋转被轴向推进，该轴啮合螺纹支座。作为替代，耦合器元件可能随轴旋转而移动，或者使用其他配置以得到轴向位移。根据旋转的方向，轴向位移可能增加或减小。
在一些示例中，可能使用数字信号处理器确定扭转角，例如使用代表扭杆两端的第一角和第二角的数字化信号之间的差值确定扭转角。在一些示例中可能直接确定扭转角，例如通过确定第二轴相对于第一轴的角。典型示例涉及作为转向柱的组件的轴。但是，本示例的实施方式包括为任何旋转轴确定超过一个回转的旋转位置，其中轴的旋转产生用于改变电信号的轴向位移，电信号用于确定转数。
线圈支座可能为印刷电路板，并且印刷电路板可能进一步支持信号处理电路。
附图说明
图1A-1B示出了具有角传感器和扭矩传感器的转向组件；
图2示出了转向角传感器的分解图；
图3A-3B示出的使用圆柱形线圈组的配置；
图4示出了示例PCB布置。
图5示出了接收器线圈信号，其可以用于在宽的角范围内得到线性响应；
图6示出了偏移参考电压用于在宽的角范围内得到基本上线性的位置信号的方式；
图7示出了两个接收器信号及其反向信号之间的交点；
图8示出了参考信号电压和轴向位移之间的关系，其可以用于监控多圈转动传感器的转数；
图9示出了参考信号电压到转数的映射的典型示例；
图10示出了得自两极接收器线圈的信号；
图11示出了示例传感器信号输出格式；
图12A-12C示出了三种传感器输出格式；
图13示出了和线圈组一起使用的可能的信号处理电路；
图14示出了信号处理电路的简化框图；
图15示出了从四圈旋转传感器输出的输出信号，具有360度锯齿形信号输出；
图16示出了单一线性信号，每30度包括12个部分；
图17示出了可能和多圈旋转传感器一起使用的信号处理电路的框图；
图18示出了可能和多圈旋转传感器一起使用的另一种信号处理电路的框图；
图19示出了用于组合的转向角和转向扭矩传感器的信号处理电路的示意图；
图20示出了用于组合传感器的信号处理电路的另一个示意图；
图21A-21B示出了使用接收器线圈生成参考信号，该接收器线圈具有中间抽头；
图22A-22C示出了使用三个传感器信号的全波整流生成参考信号；
图23示出了使用来自四个接收器线圈的信号及其反向信号生成参考信号；
图24示出了从五个接收器线圈得到参考信号的配置；和
图25示出了接收器线圈配置的另一个示例。
具体实施方式
本发明的实施例包括电子模块、线圈主体、平衡电阻器(trimmed resistor)和信号调节电路。电子模块可能包括用于信号调节的ASIC模块。线圈主体包括轴向调节器、旋转调节器和激励线圈。激励线圈产生电磁场。旋转调节器(也称为接收器线圈或传感器线圈)提供与角位置有关的信号。轴向调节器(也称为参考线圈或差分模拟(differential dummy))提供信号，该信号对应激励线圈和轴向调节器之间的轴向分离或间隙。在一些示例中，参考线圈可以被省略，并从传感器线圈得到分离的参考信号。
本发明的实施例也包括任何类型的比率度量传感器，不限于电感位置传感器。从一个或多于一个传感器得到参考信号，传感器也提供与位置有关的传感器信号。电子单元通过使用传感器信号除以参考信号来提供比率度量信号，比率度量信号被校正用于共模因子如温度。在其他类型的传感器中可能不需要使用激励线圈，或者使用其他类型的激励。普通比率度量传感器包括一个或多于一个传感器和电子单元，该电子单元用于从一个或多于一个传感器产生参考信号，并使用参考信号和传感器信号产生比率度量信号，比率度量信号与位置有关。也存在位置传感器之外的本发明的应用，包括状态监控传感器等等。
下面详细描述电感传感器的示例，但是这些示例不是限制性的。在一些示例中，耦合器元件(有时用术语整流板)改变激励线圈和其他线圈之间的电感耦合。耦合器元件改变激励线圈和(多个)接收器线圈之间的通量耦合的空间分布。
在示例性旋转传感器中，旋转调节器(RM)类型的接收器线圈的输出与耦合器元件的角位置有关，而轴向调节器或参考线圈的输出基本上独立于耦合器位置，其是旋转角的函数，从而比率度量感测允许基本消除共模因子对接收器信号的影响。共模因子包括激励电源、温度、线圈组和耦合器元件之间的间隙等等。来自参考线圈的参考信号可能与参考线圈和耦合器元件或其他传感器组件之间的轴向距离或间距有关。
本发明的实施例包括组合的具有多圈转动能力的转向扭矩/转向角传感器。传统的旋转传感器通常限于360度测量范围，使得较大(多圈转动)角测量时必须使用减速齿轮。但是根据本实施方式的旋转传感器可能提供大于360度的测量范围，例如达到±820度。
例如，可以使用参考信号将测量范围扩大到超过360度，该参考信号基本独立于耦合器元件的旋转位置，但与轴向位移有关。可以提供参考信号，其在该示例中可能被称为轴向调节器(AM)信号，该参考信号对耦合器元件(转子)和安装在螺套上的印刷电路板(PCB)之间的间隙敏感。该PCB支持线圈组，该线圈组包括激励线圈、一个或多于一个接收器线圈和可选择的参考线圈。随着转向机构在螺纹上旋转，该轴向间隙变窄或变宽，改变参考信号并允许确定已经转过的转数(或其他角周期)。
在一些示例中不需要分离的参考线圈，因为可能从多个接收器线圈得到参考信号，例如通过非相敏整流信号的组合获得参考信号。不管如何确定，参考信号通常随着线圈组相对于耦合器元件的位移而改变。例如元件耦合器可能附连到旋转轴，并且该位移归因于连接到轴的外螺套在线圈主体中的内螺套中的旋转。在此情况下，参考信号可以用于确定经过的近似转数，便于多圈转动传感器的开发。
平衡电阻器可能允许输出增益控制，定义较高台阶电压和较低台阶电压或其他调整。可能通过随角度变化的信号乘以激励信号得到调制信号。这里，解调指的是调制信号的相敏整流。解调将线性角测量的范围扩大为未解调时的两倍。解调器可能独立于线圈主体被测试，并且可能是具有可平衡电阻器和LC振荡器的模块。
本发明的示例也包括扭矩传感器，包括独立扭矩传感器和与转向角传感器结合的扭矩传感器。扭矩传感器可能沿着电子踏板传感器的线路被配置，这在我们的共同待决的申请中有所描述。扭矩传感器可能被提供有CAN总线兼容输出和与原始信号输出并行的PWM(脉冲宽度调制)。
示例性组合旋转和扭矩传感器包括两个旋转传感器，扭杆的每一端有一个传感器。一个传感器用于测量角位置，例如用作电子转向传感器的转向位置。两个传感器根据扭杆的每个末端的旋转位置的差值一起测量扭杆的扭转角。根据扭杆的扭转角和机械特性确定扭矩。扭杆可能是任何结构，如弹簧，通过该结构，可能从末端的相对旋转位置确定扭矩。
图1A示出了转向组件的侧视图，该转向组件包括转向边轴和柱边轴。图中示出了翼侧(pinion-side)转向轴10、柱边轴12、互连翼侧轴和柱边轴的扭杆14、翼侧耦合器元件16、柱边耦合器元件18、柱边传感器PCB 20、滑动器22、翼侧传感器24、外壳26和螺套28。
PCB(印刷电路板)20安装在螺套28上，该螺套28随着转向柱的旋转推进PCB。图中示出了角传感器PCB和扭矩耦合设备之间的间隙。该距离随着转向组件的旋转是可变化的。
在诸如动力损失期间轮正在转动的情形中，角信息可能被保留。在一些示例中，间隙信息被映射到锯齿形电信号。
用于确定转向角和转向扭矩的组合传感器可能为独立传感器，具有外壳并简单连接到转向柱。柱边线圈组可能沿着轴向方向自由移动可评估的距离，如达到6mm，其中参考信号用于确定轴向位移以及转数。扭杆每一侧的传感器可能是类似的，并且信号的比较用于自诊断，例如检测故障状态。例如正常操作中扭转角可能不超过±15°或其他预定值而不指示故障。
图1B是简化的端视图，其示出了扭矩传感器的部分，也示出了保护扭矩设备的制动器30。允许的最大扭转角可能限于一个角度θ，例如7.5°。图中还示出了用于三极(three-pole)接收器线圈(RM)的线圈叶32的可能的相关配置。在一个示例中，尺寸D大约为80mm，说明了设备的紧凑性质。
图2示出了可操作以确定转向角和转向扭矩的传感器的另一个示例。在该示例中，耦合器元件指的是转子。示出的组件包括连接器外壳40、O形密封圈42、转子载体44(第一耦合器元件支座)、转子46(第一耦合器元件)、扭矩测量PCB 48、平板跨接电缆50、两个转子载体之间的圆柱形密封52、PCB载体54、角测量PCB 56、转子58(第二耦合器元件)、具有螺纹部分62的螺纹转子载体60、O形密封圈64和包括元件66的外壳部分68。作为第二耦合元件相对于角测量PCB携带的线圈组之间的角，转向角被确定。通过第一转子和第二转子之间的角差值确定扭矩，其通过第一耦合器元件和扭矩测量PCB的位置来确定。
图3A说明了替代配置，其中接收器线圈被布置在大致柱面上。图中示出了旋转中心轴80、耦合器元件82、第一套管90、具有螺纹部分86的第二套管84、电子单元92和用于励磁线圈的激励源94，第一套管90用作线圈组88的大致圆柱形衬底(线圈支座)。
传感器被布置在旋转中心轴80上，并布置有通常围绕柱面安放的耦合器元件82。套管相对于彼此的旋转导致耦合器元件和线圈组88之间的轴向位移(间隙)。线圈组包括多个接收器线圈，带有围绕外围的大致矩形(在柱面上)的激励线圈。线圈和线圈支座的组合可能被称为线圈主体。可以根据基本上独立于耦合器角位置的接收器信号的组合确定参考信号，并且这可能用于确定转数。作为替代，分离的参考线圈可能安置在线圈支座上以提供参考信号。这样，该配置可能用作多圈转动传感器。
该图只示出了组合传感器的角感测部分，而扭矩感测可能使用类似的配置。
可能通过比较扭杆每一侧的第一传感器和第二传感器的信号来确定扭矩，例如确定差分信号。
图3B示出了相对于位于第二套管内侧的耦合器元件的传感器线圈主体。图中示出了相对于耦合器元件82处于零轴向位移(零间隙)配置的第一套管90。
图4是示意图，示出了和多圈转动旋转传感器一起使用的PCB的一般布置。该形式的PCB对于电子节流控制应用是有用的。但是，PCB的形状可能容易地适用于任何角感测应用如转向角感测。PCB 100支撑线圈组，该线圈组包括双旋转调节器(RM)，布置该双旋转调节器以便第二接收器线圈相对于第一接收器线圈提供具有90度相位偏移(四分之一波长)的信号。图4A示出了线圈组和支座电子设备的一般布置，图4B示出了第一线圈104和第二线圈106的配置，其分别表示为RM1和RM2。带有两个线圈的双旋转调节器的使用允许角感测应用超出单一线圈信号的线性部分。
图5示出了来自第一线圈(表示为RM1)的信号和来自第二线圈(表示为RM2)的信号。如图所示，相对于耦合器元件的角位置以及因此在转向角应用中相对于转向组件的角位置，来自每个线圈的信号之间有角偏移量。图中还示出了标记为RM1’和RM2’的信号，它们是RM1和RM2的反向信号。因此使用每个信号的一部分，即用粗线如120示出的每条曲线的线性部分，可以拼合宽的角范围内的线性信号。RM1以实线示出，具有0度和30度之间的线性部分。RM2通常以虚线示出，具有30度和60度之间的线性部分。进一步地，RM1的反向信号(表示为RM1’)以细实线示出，其提供60度和90度之间的线性区域。RM2的反向信号(标记为RM2’)提供90度和120度之间的线性部分。VG代表虚地。
在本发明的示例中，线圈主体可能包括两个接收器线圈，并具有90度的接收器线圈信号相位差。可能使用其他相位差。
因此，两对信号(来自第一RM线圈和第二RM线圈的信号和它们的反向信号)可以通过电平的改变被组合成基本上线性的信号。
图6示出了与可能仅从单一线圈得到的线性位置信号相比，偏移参考电压可能怎样用于在较宽的角范围内得到线性位置信号。
为了得到基本上连续的线性信号，必须确定不同RM信号之间的交点。对于每个线性部分N-1，N，N+1有相应的偏移电压，该偏移电压被选择以匹配一个线性范围的最大信号电平和下一个线性范围的最小信号电平。
图7示出了RM1、RM2及RM1、RM2的反向信号之间的交点，形成圆周如122。简单的比较器电路可能用于根据角范围内的实际角位置确定交点并从多个可用信号中选择信号。因此，根据本发明实施例的旋转传感器可能用于在宽的角范围内提供线性信号。
本发明的示例包括使用基本上独立于旋转位置的参考信号的设备。但是参考信号与沿着垂直于旋转平面的轴线(例如，沿着旋转轴的轴线)的轴向位置有关。因此，参考线圈(在该示例中为轴向调节器)可能用于提供信号，该信号对支撑线圈组的电路板和耦合器元件之间的间隙敏感。有效地，该轴向调节器实际上作为间隙传感器或轴向位移传感器，并且参考信号可以用于确定转向组件转了多少圈。
在一些实施例中，到载体的AM反馈(激励信号)由恒定分压器替代。这样避免了将温度因子从由比率度量感测抵消的共模信号中分离。因此，间隙成为主要的共模因子，从而AM可能有效地提供转数的信息。在该配置中，激励信号将保持在(例如)大约10伏，并且可以监控参考信号以将参考电压映射到转数。
图8示出了参考信号电压(此处表示为AM电压)和轴向位移(此处表示为间隙)之间的典型关系，其针对根据本发明的一个示例。示出的间隙沿着X轴，范围达到大约2.2毫米。参考信号电压在转过0位置两圈的大约250毫伏和相反方向两圈的大约500毫伏之间。此处，0圈对应大约350毫伏。在其他示例中，电压和距离可能不同。该映射只是示例，并且可能为使用的配置确定实际关系。
使用如该图所示的数据，接收器信号电平可以被调节以获得宽的角范围内基本上线性的响应，甚至获得多圈转动能力。通过根据转数调节传感器输出电平，可以得到多圈转动时与转动角度相对的基本线性信号。
图9示出了将参考信号电压映射到转数的典型示例，其允许使用的可调节偏移电压用于获得多圈转动时与角度相对的基本线性传感器信号电压。
图10示出了从两极接收器线圈获得的信号，示出了从两极线圈获得的四个信号，连同反向信号，其类似于图5中所示的那些信号。在该示例中，每个信号每180度重复一次，所以需要参考信号(AM信号)以在大于180度的角范围内识别角位置。
在多圈转动传感器中，拾取另一个信号后电平被升高。这指的是从一个信号输出到另一个信号输出在交点处的转变，如先前图5所示。逻辑堆栈可能用于存储交点的历史记录，并且因此知道应用的正确电平调节。当达到预定RM值时，可以使用复用器输出选择RM信号(或反向RM信号)。
现在描述传感器信号输出格式的三个示例。在一种格式中，信号可以选择为三种锯齿形信号类型中的一种。第一种格式是范围从0.25伏到4.75伏的360度锯齿波。第二种格式可能为同样电压范围内的180度锯齿波，而第三种格式可能为同样范围内的90度锯齿波。接着可以使用偏移电压将锯齿波形转换为基本线性响应而得到多圈转动传感器。
图11示出了可能的传感器输出格式。输出信号为锯齿波，范围在高电压和低电压范围之间并且角测量每360度复位一次。
图12A-12C示出了三种可能的替代格式。可能使用齐纳切换(Zener zapping)获得信号校准，这将在下面进一步详细讨论。
图13示出了信号调节方法的框图，可能由关联线圈组的信号处理电路使用该方法。电子电路可能和线圈组在相同的PCB上被支撑。图中示出了第一接收器线圈140、第二接收器线圈142(都为旋转调节器，即提供与耦合器元件的角位置有关的信号)和电子电路，该电子电路提供第一整流信号和第二整流信号(144和148)以及第一信号和第二信号的复制反向信号(146和150)。比较器152允许使用电子开关153选择四个信号中的一个。虚地移位器(virtual ground shifter)154提供信号偏移，并带有追踪角范围以及所用偏移的堆栈管理器156。接着信号移位器158使用从堆栈管理器获得的信息将信号移位到VLA，使用例如外部可平衡电阻器设置增益控制(160)，台阶电压控制(162)例如使用(多个)外部可平衡电阻器限制最大偏移和最小偏移，以及校准器(164)使用例如齐纳切换校准信号。
当第一信号和第二信号在预定容限内相似时，比较器可能选择从第一信号转换而来的第二信号。逻辑堆栈可能用于追踪该选择。
在该示例中，第一RM信号和第二RM信号被整流，分别提供第一信号和第三信号，并且进一步被反向以分别提供第二信号和第四信号。得到的四个信号对应示出的曲线，例如图5中所示的曲线。比较器用于确定一个信号与另一个信号的正确的交点，例如图7所示，以便得到基本上线性的信号，例如图6所示。VG(虚地)电平移位器与堆栈管理器通信。逻辑堆栈追踪交点以便将正确的虚地电平移位应用到信号，以获得基本上线性的信号或锯齿形信号。信号处理包括使用堆栈管理器信息感测到VLA的信号、使用例如外部可平衡电阻器设置增益、使用外部可平衡电阻器建立高台阶电压和低台阶电压，以及信号校准。可能通过齐纳切换得到信号校准。
图14是用于信号处理电路的简化框图，其未示出台阶控制和增益调节。在该示例中，包括RM1、RM2、反向RM1和反向RM2的四个输入信号(180，182，184，186)进入开关电路188，其中比较器/选择器192确定要使用的正确信号，其在190处被示出。。图中示出了可以用于整流RM1的典型电路。整流的AM信号在196处被获得并和被选择的RM信号一起进入除法器(divider)194。接着被划分(divide)的信号通过电平调节器到达输出202。图中示出的电平调节器200包括多个开关电路198，这些开关电路输入到逻辑电路以决定电压调节。电压调节的历史记录被存储在比较器192中。
数模转换器可以用于传感器校准和电平控制。校准电路可能是五位的形式，并且齐纳切换用于校准最终装配。齐纳切换中，反向的大电流被施加到齐纳二极管，其被击穿并形成短路。短路的二极管和未短路的二极管可以用作非易失性存储器以存储调节电压，例如作为二进制值。因此可以进行一次校准调节而不使用进一步调节。
用于电平调节的转换器以六位形式示出，其取决于传感器的极性和方位角范围。对于具有360度范围的五极传感器，转换器需要四位；如果是360度的六极传感器，转换器使用五位。转换器的操作可能由比较器电路与逻辑电路合作控制。
关于逻辑电路-比较器电路操作，比较器一旦选择两个输入信号中的一个，逻辑电路就根据角方向推入或弹出一个单元电压调节。
参看图7，其示出了30度处的第一交点。比较器电路比较RM1和RM2，并且在30度处它们在某一预定容限内是相同的。接着选择器电路选择RM2-信号(反向RM2信号)以便输出信号保持图6所示的基本线性的形状。
同时，逻辑电路增加或减少一个单元。逻辑电路(堆栈)推入或弹出一个单元，并且电压转换器相应地增加或减少一个单元电平。参看图6，这被示出为电平N、N+1等等。因此逻辑电路在DA转换器内保持开关的状态，对应于堆栈的深度。
使用三极线圈，最大的合理线性角范围(标示为段(segment))大约为30度。根据通过的交点数量设置电平。使用三个段的管理，角范围可以达到120度。记录保持可能使用堆栈操作(例如链表数据结构)获得。
对于多圈转动操作，输出信号的格式可能为锯齿形信号，参考信号被用于解决对应每个信号电压的多值的角度值(超过360度)的非单值性。该方法允许传感器信号具有良好的角分辨率，同时也具有宽的(例如，多重分辨率)角范围。实际的最大线性能力(模角)是360度。计数器和堆栈可能由传感器之外的本地ECU管理，或者作为替代可以由传感器逻辑管理。
图15示出了从四个转动旋转传感器输出的输出信号，具有360度锯齿形信号输出。
图16示出单一线性信号，该信号每30度包括12个部分，如210处所示，例如从三极RM线圈获得的单一线性信号。如果使用了六极RM线圈，单一线性信号可能每22.5度有24个部分。在后一情况中，电平调节器和逻辑/堆栈电路可能具有五位的容量(capability)。
其他考虑包括电源电压跟踪能力、直流电池电压或稳定电压的使用和期望的线性度。根据本发明实施例的示例传感器包括在角传感器操作中具有优于0.5％的线性度的传感器。本发明的其他实施例包括速度传感器，其可能使用得自AM信号的位移测量值来实施。
示例传感器系统具有0.5％的角线性度，在-45℃到100℃的温度范围内具有0.5％的精确度，具有360度锯齿形输出，输出信号摆幅从参考电压的5％到95％，5位齐纳切换，4位电平调节和优越的EMC性能。
图17是信号处理电路的框图，该信号处理电路可能和根据本发明实施例的多圈转动旋转传感器一起使用。简要地说，图中示出了线圈主体，该线圈主体包括AM(参考线圈)、RM1、RM2(接收器线圈)和CR(激励线圈)。此处，AM指的是轴向调节器，其提供对间隙敏感的信号，RM1和RM2是两个旋转调节器线圈，用于提供四个输出，包括两个反向输出，而CR表示激励线圈或载体线圈。图中示出了用于支持多圈旋转的逻辑电路控制下的选择器/比较器电路。图中还示出了用于校准的具有五位DA灵敏度的齐纳切换。执行被选择的RM信号和AM信号的模拟划分以得到输出，输出由电平调节器调整。
更详细地说，图中示出了线圈组220，该线圈组包括激励线圈222、分离的参考线圈224和彼此之间具有相位偏移的两个接收器线圈226。一般在274处示出的信号处理电路可能与线圈组由同一个PCB支撑。作为替代，用于线圈组的衬底可能不同。相敏整流器228用于处理来自参考线圈的参考信号。选择器/比较器236用于从四个选择中选择接收器信号，即分别来自两个接收器线圈的整流信号和整流/反向信号，例如上述关于图13所讨论。230和232处示出了整流器和反向器，234处示出了比较器控制下的信号选择。接收器信号在238处进行电压调整，例如以便于得到大致线性的信号。
模拟除法器(divider)用参考信号划分这样得到的接收器信号，以便补偿共模系数。242处的进一步电平调整通过放大器244和负载246给出传感器输出。增益调整使用电阻器248。虚地250用于调节线圈信号电平。振荡器252(LC振荡器)激活激励线圈222。5位DAC 254从通常在266处示出的逻辑单元中的齐纳切换器262(或其他非易失性存储器结构)接收校准信息。计数器/堆栈管理电路264追踪角范围(例如转数或其他角度间隔)，电压调节器256提供合适的偏移电压。电压钳258使用电阻电桥260来钳制电压输出到高台阶电平和/或低台阶电平。
外部电路276包括传感器输出表征设备272和外部ADC/DAC270，将校准输出到串并行转换器268，用于在齐纳阵列262(也称为齐纳切换器)中设置存储值。
图18示出了用于多圈转动旋转传感器的替代电子电路。线圈主体可能与关于图15讨论的相同，如220所示。逻辑单元决定用于多圈转动支持的计数器堆栈管理，并进一步确定所需段需要的电阻器的组合。逻辑电路也用于选择电阻器的组合以确定需要的高台阶电压和低台阶电压。
该电路示出了根据逻辑单元选择的两个RM信号，被选择的RM信号的相敏整流，接下来是轴向调节器信号的比率度量模拟划分。输出信号由模拟放大器修正，电阻器对用于钳制台阶位置，可平衡电阻器用于增益调节，并且通过负载阻抗输出。该电路示出了用于台阶校准的虚地电平调节器，其中通过六电阻器阵列的组合得到六位DAC。
图中通常在300处示出信号处理电路，该信号处理器包括相敏整流器302、复用器304(例如本文讨论的比较器/选择器电路)、用于接收器信号的相敏整流器306、模拟除法器(divider)308、具有增益调节电阻器312的模拟乘法器(放大器)310、输出负载314、振荡器316、使用电阻电桥320的电压钳318、电平调节器(使用虚地调节器)322和虚地调节器324。可能位于同样的PCB上并且可能由ASIC提供的逻辑单元332包括计数器/堆栈控制器326，该计数器/堆栈控制器326用于角范围段追踪并提供有关合适电压调节的数据以得到基本线性的信号，提供电阻器组合以得到虚地调节，提供电阻器组合以进一步调节台阶电平。外部校准设备338类似于上述关于图17所讨论的设备，包括传感器输出表征设备338和外部ADC/DAC，传感器输出表征设备338用于测量输出电平和台阶电平，外部ADC/DAC给出到串并行转换器334的校准输出，以便和逻辑单元332一起使用。
外部设备可以用于校准，例如具有并串行转换器的外部ADC/DAC，其被转换回并行输入到逻辑单元。使用单一或多个RM线圈进行的共模信号和差模信号的信号产生可以在不同比率度量传感器中使用。根据本发明示例的比率度量感测方法可能用于任何感测技术，而不限于电感传感器。例如比率度量传感器包括一个或多于一个传感器，提供与位置有关的传感器信号。参考信号从传感器信号导出。通过位置信号除以参考信号形成比率度量信号。例如可能有两个或多于两个传感器，并且来自两个或多于两个传感器的传感器信号组合起来提供参考信号。例如，传感器信号可能被整流或组合。
术语“RM”有时用作旋转调节器的缩写，旋转调节器是旋转位置传感器的传感器线圈。但是，本文描述的方法可以(或适宜于)和任意类型的位置传感器一起使用，包括线性和组合的线性/旋转电感传感器，也用于不使用电感耦合的其他类型的传感器。例如，参考信号可以从多个霍尔传感器(Hall sensor)导出并且用于改进的比率度量霍尔感测。
图19示出了根据本发明的实施例用于组合传感器(转向角和转向扭矩确定)的信号调节电路366的一部分的示意图。线圈组360包括激励线圈362和四个接收器线圈如364。图中示出的电路模块368用于得到和角有关系的接收器信号372(RM1)和基本上独立于角、但可能与轴向位移有关的参考信号374(AM)。因此，标记AM或轴向调节器。在376处的进一步信号处理后，由模拟除法器378得到比率度量信号。但是，在本文描述的所有示例中，数字除法器可能用于代替模拟除法器。电路模块370用于得到第二接收器信号382(RM2)，其可能在384处被划分以得到比率度量信号。参考信号在390处输出，并且可能用于追踪轴向位移，并且因此追踪角范围或转数。信号RM1和RM2可能使用选择器380选择并在388处输出，可选择地在386处与PWM一起输出。其他组件如虚地调节、校准数据存储等等可能容易地得自本文描述的其他电路。简单起见，台阶控制和增益调节没有示出。
图20示出了用于组合转向角/扭矩传感器的信号处理的电子电路416的简化示意图。该组合传感器包括用于扭矩确定的第一线圈组400和用于角位置确定的第二线圈组。每个线圈组包括接收器线圈和任一参考线圈或电路，该电路用于从(多个)接收器线圈确定参考信号。来自角传感器402的接收器信号和参考信号被送到模拟除法器408以形成比率度量信号。ADC(模数转换器)404处理来自两个传感器的信号。数字信号处理电路406确定扭矩，例如通过确定角测量值之间的差值以确定扭杆两端的扭转角。扭杆的机械参数可能也存储在存储器中并且如果必要的话，用于将扭转角转换为扭转值。可以使用参考信号(AM)确定超过“模数”(独特旋转传感器输出的间隔角，例如360度的单一旋转)的扭矩数值，以确定轴向位移并因此确定转数(或其他角模数值)。扭矩传感器输出也可以用作角传感器输出的备份。两个传感器输出可能被比较以确定是否存在故障状态。DAC 410用于产生模拟信号输出412，并且模拟信号和CAN总线信号由电路414产生。
图21A-21B示出了使用具有中间抽头的接收器线圈产生参考信号。在该示例中，不需要分离的参考线圈。图21A示出了可能的线圈组，而图21B示出用于得到角敏感(RM)信号和基本上角独立(angleindependent)的信号(AM，参考信号)的电路。参考信号可以用于在转向传感器应用中确定轴向位移。
图21A在420处示出了激励线圈，其带有在426处表示的耦合器元件，以便改变与接收器线圈422和424的电感耦合。由一个接收器线圈的不同绕组(或者不同的接收器线圈)产生的信号的和数(426)与差值(428)分别用于旋转位置(接收器)和参考信号。图21B示出了具有中央抽头444的两个绕组440和442，它们用于得到图21A中示出的RM+信号和RM-信号(446)。
图22A-22C示出了用于从多个传感器信号得到参考信号的不同方法。
图22A示出了使用三个传感器信号的全波整流产生参考信号。该方法不限于电感传感器。例如，三个传感器可能为霍尔效应传感器，并且AM电压(参考信号)以模拟的形式使用以校正共模因子和/或确定轴向位移。图中示出了三个传感器460、462和464，由二极管466整流，并在468处输出参考信号。三个传感器可能为任何类型的传感器，包括电感传感器、霍尔效应传感器以及类似物，其被配置成星形配置，并且二极管466(例如，进行很少或几乎没有压降的整流)用于产生参考信号。个体传感器信号可能由参考信号(AM)划分以提供比率度量信号。
图22B示出了使用星形配置中的三个接收器线圈(480、482和484)产生参考信号，由二极管486整流并在488处得到参考信号。
图22C示出了使用德尔塔(delta)或三角形配置中的三个接收器线圈(500、502和504)产生参考信号，该配置带有二极管506和参考信号输出508。类似地，该配置可以和其他传感器类型一起使用，如霍尔效应传感器。
在角传感器中，个体传感器可能提供和角有关的传感器信号。参考信号可能基本上独立于角位置，但是和轴向位移有关系。例如，旋转轴可能导致示出的传感器和另一元件(如耦合器元件或霍尔传感器中的磁体)之间的可变轴向位移。接着参考信号可以用于确定转数或用于扩大旋转传感器的角范围。
图23示出了进一步配置，其用于从四个接收器线圈如520得到参考信号(表示为AM)。在该示例中，通过复制并反向接收器线圈信号来模拟具有反向性质的映像线圈(虚线线圈522所示)。使用二极管504得到参考信号506。
图24示出了进一步配置，其用于从五个接收器线圈520得到参考信号(表示为AM)，其使用二极管522和在524处得到的参考信号。在该示例中，得到映像线圈信号不需要信号复制和反向。
图25示出了接收器线圈配置的另一个示例。第一线圈组540和第二线圈组542被组合以得到线圈组544。第二线圈组即参考线圈被偏移15度，并且可能通过接收器线圈信号的组合而被模拟。如果使用参考线圈，该参考线圈可能形式上类似于接收器线圈以便使转向柱的铁心效应(ferro-core effect)最小化。其他配置
本发明的示例进一步包括多圈转动传感器或大角度旋转和线性位置传感器。比率度量感测包括无相位方法和无AM线圈方法。任何比率度量传感器(如本文中描述的传感器或我们的共同待审申请中描述的传感器)均可能通过除去分离的参考线圈(有时被称作AM线圈或轴向调节器线圈，其提供与间隙相关的信号)并从传感器(或接收器)线圈(如RM、旋转调节器、线圈)产生参考信号而被更改。单一线圈结构可能具有间隔一定距离的抽头，以允许获得信号，从该信号获得参考信号。例如，具有差分结构的线圈(例如，包括前向缠绕环和后向缠绕环)可能加入抽头以允许分别获得前向信号和后向信号。接着可能从这些分离的信号得到参考信号。
上述用于从多个传感器信号获得参考信号的方法可能用于线性位置传感器和/或其他传感器技术。
该一般类型的信号可能从其他传感器类型获得，并且该方法不限于电感传感器。示出的电子电路是示例性的，并可能使用其他电路。进一步地，这些电路或其他电路可能适宜与其他类型的传感器一起使用。
本发明不局限于上述的说明性示例。示例不是对本发明范围的限制。本文描述的方法、设备、组件等等是示例性的，不是对本发明范围的限制。本领域的技术人员会想到其中的变化和其他用途。本发明的范围由权利要求书的范围定义。

Claims (12)

1.一种用于为转向柱确定转向角和转向扭矩的设备，该转向柱包括由扭杆互连的第一轴和第二轴，所述设备包括：
第一旋转传感器，其包括第一线圈组和第一耦合器元件，所述第一旋转传感器可操作以提供第一信号和参考信号，该第一信号与所述第一轴的角位置有关；
第二旋转传感器，其包括第二线圈组和第二耦合器元件，所述第二旋转传感器可操作以提供第二信号，该第二信号与所述第二轴的角位置有关；以及
电子电路，其可操作以使用比率度量信号来确定所述转向角，该比率度量信号是使用所述第一信号和所述参考信号而获得的，
以及使用所述第一轴的角位置和所述第二轴的角位置之间的扭转角确定所述转向扭矩，其中所述扭转角是使用所述第一信号和所述第二信号来确定的，
以及使用所述参考信号来确定所述第一轴的转数，从而扩大所述第一旋转传感器的角范围，
所述参考信号与所述第一线圈组的轴向位移有关，但基本上独立于所述第一轴的所述角位置。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一线圈组包括多个接收器线圈和一参考线圈，
所述参考线圈提供所述参考信号。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一线圈组包括多个接收器线圈，
使用所述多个接收器线圈确定所述参考信号。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述轴向位移和所述第一耦合器元件有关系。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一线圈组由具有螺纹表面的线圈支座支撑，
所述螺纹表面与所述第一轴啮合以便随着所述第一轴旋转产生所述轴向位移。
6.根据权利要求1所述的设备，其中使用数字信号处理器确定所述扭转角。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一轴为柱边轴，并且所述第二轴为翼侧轴。
8.一种用于确定轴的角位置的设备，所述设备包括：
线圈支座；
由所述线圈支座支撑的线圈组，所述线圈组包括发送器线圈和至少一个接收器线圈；
耦合器元件，所述耦合器元件具有耦合器角位置，该耦合器角位置与所述轴的所述角位置有关，所述耦合器元件改变所述发送器线圈和所述至少一个接收器线圈之间的电感耦合；和
信号处理电路，所述信号处理电路可操作以从所述至少一个接收器线圈接收至少一个接收器信号，所述接收器信号与所述角位置相关，
所述信号处理电路进一步可操作以提供参考信号，并且使用比率度量信号来确定所述轴的角位置，该比率度量信号是使用所述接收器信号和所述参考信号而获得的，
所述参考信号与所述线圈组相对于所述耦合器元件的轴向位移有关，但基本上独立于所述角位置，所述轴向位移由所述轴的旋转产生，
所述参考信号进一步用于确定所述轴的转数，以便扩大所述设备的角范围。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述轴是转向柱的组件。
10.根据权利要求8所述的设备，其中所述线圈支座是印刷电路板，所述印刷电路板进一步支撑所述信号处理电路。
11.根据权利要求8所述的设备，其中所述线圈支座安装在螺套上，所述螺套啮合所述轴以便随着所述轴旋转产生所述轴向位移。
12.根据权利要求8所述的设备，其中所述轴是转向柱的组件，所述转向柱包括第二轴，该第二轴通过扭杆与所述轴互连，所述设备进一步包括用以确定所述第二轴的第二角位置的旋转传感器，
所述设备进一步包括可操作以确定所述第二轴的第二角位置的旋转传感器；和
可操作以使用所述轴的所述角位置和所述第二轴的所述第二角位置确定转向扭矩的电子电路。
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