CN103925869B - 基于无线电能传输和电磁感应的角度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无线电能传输和电磁感应的角度测量方法。单片机产生高频方波信号，通过信号高频方波信号放大电路和高频方波信号滤波电路处理，以电磁波形式辐射到转子电路上；转子电路接收供能量为电路中的芯片供电，并产生低频正弦信号，低频正弦信号经处理产生发射交流信号，并辐射到定子电路上；定子电路产生初阶角度信息信号，并经整流得到角度直流信号，角度直流信号传入单片机经过处理后，得到转子和定子之间的角度信息。本发明方法测量精度高，成本低，安装方便，便于维护和管理，对环境的要求不苛刻，只要不在强磁环境下工作，便可以精确地、稳定地、快速地完成任务,解决了角度测量方法的可靠性，精度，以及成本等诸多问题。
Description
技术领域
本发明专利涉及角度传感器的角度测量方法，尤其涉及一种基于无线电能传输和电磁感应的角度测量方法。
背景技术
角度传感器作为电机中的一个重要的基础元件，在许多具有重大战略意义的产业中都占有重要地位。在高效节能产业中，高效内燃机的实现的一个重要方式就是精确控制燃油与空气输入的节气阀；在高端装备制造产业中，航空涡轮发动机与控制系统需要对电机转角的精确控制，智能制造装备产业中更是将新型传感技术作为发展重点在第一条列出，多维精密机床的实现都之有关；新能源汽车产业中实现汽车的均匀高效加速也需要对电机转角有个精确的检测。
相对于低寿命、难维护的接触式角度传感器，非接触式的角度传感器可以避免摩擦，进而避免影响测量精度以及关键部件上的不可靠性。
主要的非接触角度传感器有光电式角度传感器。但是，该传感器一般对使用的环境要求比较的苛刻，有少许的灰尘进入光栅都会给传感器带来致命的破坏，抗振性也较差，对于安装的要求非常的高，有少许的偏差就会使传感器不能正常工作，而且价格昂贵，非一般人和企业能用。
为了解决角度传感器的可靠性，精度，以及成本等诸多问题，在此提出一种基于无线电能传输和电磁感应的角度测量方法。这种角度测量方法不仅测量精度高，而且成本低，安装方便，便于维护和管理，对环境的要求也没有光电式那样苛刻，只要不在强磁环境下工作，便可以精确地、稳定地、快速地完成任务。
发明内容
本发明从电磁式角度传感器入手，开发一种满足工程需要的小型化、低成本、高精度的基于无线电能传输和电磁感应的角度测量方法。
本发明的技术方案如下：
基于无线电能传输和电磁感应的角度测量方法，适用于静止角度测量和高速转动装置的角度测量，包含如下步骤：
1）定子电路中的单片机产生高频方波信号，所述的高频方波信号通过信号高频方波信号放大电路和高频方波信号滤波电路产生高频正弦信号；
2）所述的高频正弦信号通过供能交流信号谐振电路产生供能交流信号，所述的供能交流信号的能量通过能量发射线圈以电磁波形式辐射到转子电路上；
3）转子电路中的能量接收线圈接收定子电路中的能量发射线圈辐射出来的供能交流信号，并通过整流电路，产生直流电，为转子电路中的芯片供电；
4）转子电路中的振荡电路在供电后，产生振荡信号，所述的振荡信号通过低频正弦信号滤波电路，产生低频正弦信号；
5）所述的低频正弦信号经过转子电路中发射交流信号谐振电路处理后，产生发射交流信号，所述的发射交流信号通过发射线圈以电磁波形式辐射到定子电路上；
6）定子电路中的角度信号接收线圈接收转子电路中发射线圈发射出来的发射交流信号，并在通过角度信号放大电路后产生初阶角度信息信号；
7）所述的初阶角度信息信号为正弦交流信号，并且该初阶角度信息信号的幅值大小Vp与转子和定子之间的角度θ有如下关系：
其中，k为常数；
8）所述的初阶角度信息信号经过角度信号整流电路处理后，得到角度直流信号，所述角度直流信号传入单片机并且经过处理后，即可以得到转子和定子之间的角度信息；
9）单片机以每秒A次的速度采样转子和定子之间的角度θ，并根据两次采样的角度差计算出转子相对于定子转动的角速度ω，计算公式如下：
其中，、为连续两次采样的角度值。
所述的定子电路包括：
单片机，用来产生和处理电信号，并且根据接受到的电信号，对电信号进行处理得到角度值，并且输出到显示屏上；
高频方波信号放大电路，对单片机输出的供能高频方波信号进行功率放大；
高频方波信号滤波电路，对输出或者输入的电信号进行滤波，减小外部杂波的干扰；
供能交流信号谐振电路，对输出的供能交流信号进行电流放大；
能量发射线圈，将具有功率的电信号以电磁波的形式向外辐射；
角度信号接收线圈，接收由转子电路中发射线圈发射出来的发射交流信号；
角度信号放大电路，对角度信号接收线圈接收到的信号进行放大；
角度信号整流电路，对接收到的初阶角度信息信号进行处理，得到该信号与角度有关的量而剔除与角度无关的量，即取初阶角度信息信号的峰值；
基准电压VREF产生电路，为电路中的信号提供一定的直流偏置。
所述的转子电路包括：
能量接收线圈，接收定子电路发射出来的由供能交流信号产生的电磁波；
整流电路，对接收到的供能交流信号进行整流，产生能为转子电路提供的直流电源；
振荡电路，用于产生低频正弦信号，提供发射线圈辐射电磁波的载体；
低频正弦信号滤波电路，对振荡电路产生的低频正弦信号进行滤波，减少因为干扰产生的高频噪声信号；
发射交流信号谐振电路，对输出的发射交流信号进行电流放大；
发射线圈，向定子电路发射发射交流信号。
本发明与现有技术相比的有益效果是本发明方法不仅测量精度高，而且成本低，安装方便，便于维护和管理，对环境的要求也没有光电式那样苛刻，只要不在强磁环境下工作，便可以精确地、稳定地、快速地完成任务,解决了角度测量方法的可靠性，精度，以及成本等诸多问题。
附图说明
图1为本发明的定子电路图；
图2为本发明的转子电路图；
图3为本发明的定子电路中基准电压VREF产生电路；
图4为本发明的角度信号接收线圈；
图5为本发明的能量发射线圈和能量接收线圈；
图6为本发明的发射线圈；
图中，角度信号接收线圈1，角度信号放大电路2，角度信号整流电路3，单片机4，高频方波信号放大电路5，高频方波信号滤波电路6，供能交流信号谐振电路7，能量发射线圈8，能量接收线圈9，整流电路10，振荡电路11，低频正弦信号滤波电路12，发射交流信号谐振电路13，发射线圈14。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明
如图1至图6所示，本发明的定子电路包括：
单片机4，用来产生和处理电信号，并且根据接受到的电信号，对电信号进行处理得到角度值，并且输出到显示屏上；单片机可以使用型号为TMS320C28027。
高频方波信号放大电路5，对单片机输出的供能高频方波信号进行功率放大；
高频方波信号滤波电路6，对输出或者输入的电信号进行滤波，减小外部杂波的干扰；
供能交流信号谐振电路7，对输出的供能交流信号进行电流放大；
能量发射线圈8，将具有功率的电信号以电磁波的形式向外辐射；
角度信号接收线圈1，接收由转子电路中发射线圈发射出来的发射交流信号；
角度信号放大电路2，对角度信号接收线圈1接收到的信号进行放大；
角度信号整流电路3，对接收到的初阶角度信息信号进行处理，得到该信号与角度有关的量而剔除与角度无关的量，即取初阶角度信息信号的峰值；
基准电压VREF产生电路，为电路中的信号提供一定的直流偏置。
本发明的转子电路包括：
能量接收线圈9，接收定子电路发射出来的由供能交流信号产生的电磁波；
整流电路10，对接收到的供能交流信号进行整流，产生能为转子电路提供的直流电源；
振荡电路11，用于产生低频正弦信号，提供发射线圈辐射电磁波的载体；
低频正弦信号滤波电路12，对振荡电路11产生的低频正弦信号进行滤波，减少因为干扰产生的高频噪声信号；
发射交流信号谐振电路13，对输出的发射交流信号进行电流放大；
发射线圈14，向定子电路发射发射交流信号。
电子电路和转子电路中运算放大器可以使用型号为TLV2464，电压驱动器可以使用型号为MC34152。
基于无线电能传输和电磁感应的角度测量方法，适用于静止角度测量和高速转动装置的角度测量，包含如下步骤：
1）定子电路中的单片机4产生高频方波信号，所述的高频方波信号通过信号高频方波信号放大电路5和高频方波信号滤波电路6产生高频正弦信号；
2）所述的高频正弦信号通过供能交流信号谐振电路7产生供能交流信号，所述的供能交流信号的能量通过能量发射线圈8以电磁波形式辐射到转子电路上；
3）转子电路中的能量接收线圈9接收定子电路中的能量发射线圈8辐射出来的供能交流信号，并通过整流电路10，产生直流电，为转子电路中的芯片供电；
4）转子电路中的振荡电路11在供电后，产生振荡信号，所述的振荡信号通过低频正弦信号滤波电路12，产生低频正弦信号；
5）所述的低频正弦信号经过转子电路中发射交流信号谐振电路13处理后，产生发射交流信号，所述的发射交流信号通过发射线圈14以电磁波形式辐射到定子电路上；
6）定子电路中的角度信号接收线圈1接收转子电路中发射线圈14发射出来的发射交流信号，并在通过角度信号放大电路2后产生初阶角度信息信号；
7）所述的初阶角度信息信号为正弦交流信号，并且该初阶角度信息信号的幅值大小Vp与转子和定子之间的角度θ有如下关系：
其中，k为常数；
8）所述的初阶角度信息信号经过角度信号整流电路3处理后，得到角度直流信号，所述角度直流信号传入单片机4并且经过处理后，即可以得到转子和定子之间的角度信息；
9）单片机4）以每秒A次的速度采样转子和定子之间的角度θ，并根据两次采样的角度差计算出转子相对于定子转动的角速度ω，计算公式如下：
其中，、为连续两次采样的角度值。
传感器中分布在转子和定子的天线组，可以对信号进行编码和解码，进而确定转子和定子的相对位置。
雷达被广泛用于无线电探测和测距，发射电磁波对目标进行照射并接受其回波，并获得目标至电磁波发射的距离和变化定子线圈由能量发射线圈和信号接收线圈组成。
定子和转子相距一定距离。
由于信号发射线圈为半圆形，与定子电路上的信号接收线圈的两路磁通量分别为线性关系，即两路接收信号上将感应出幅值与转子和定子之间相对角度的分别成线性关系的电压。通过测量电压，即可知道转子和定子之间的相对角度。
Claims (3)
1.一种基于无线电能传输和电磁感应的角度测量方法，适用于静止角度测量和高速转动装置的角度测量，其特征在于，包含如下步骤：
1)定子电路中的单片机(4)产生高频方波信号，所述的高频方波信号通过信号高频方波信号放大电路(5)和高频方波信号滤波电路(6)产生高频正弦信号；
2)所述的高频正弦信号通过供能交流信号谐振电路(7)产生供能交流信号，所述的供能交流信号的能量通过能量发射线圈(8)以电磁波形式辐射到转子电路上；
3)转子电路中的能量接收线圈(9)接收定子电路中的能量发射线圈(8)辐射出来的供能交流信号，并通过整流电路(10)，产生直流电，为转子电路中的芯片供电；
4)转子电路中的振荡电路(11)在供电后，产生振荡信号，所述的振荡信号通过低频正弦信号滤波电路(12)，产生低频正弦信号；
5)所述的低频正弦信号经过转子电路中发射交流信号谐振电路(13)处理后，产生发射交流信号，所述的发射交流信号通过发射线圈(14)以电磁波形式辐射到定子电路上；
6)定子电路中的角度信号接收线圈(1)接收转子电路中发射线圈(14)发射出来的发射交流信号，并在通过角度信号放大电路(2)后产生初阶角度信息信号；
7)所述的初阶角度信息信号为正弦交流信号，并且该初阶角度信息信号的幅值大小Vp与转子和定子之间的角度θ有如下关系：
Vp＝k·sinθ
其中，k为常数；
8)所述的初阶角度信息信号经过角度信号整流电路(3)处理后，得到角度直流信号，所述角度直流信号传入单片机(4)并且经过处理后，即可以得到转子和定子之间的角度信息；
9)单片机(4)以每秒A次的速度采样转子和定子之间的角度θ，并根据两次采样的角度差计算出转子相对于定子转动的角速度ω，计算公式如下：
ω＝A·(θ1-θ2)
其中，θ1、θ2为连续两次采样的角度值。
2.根据权利要求1所述的基于无线电能传输和电磁感应的角度测量方法，其特征在于，所述的定子电路包括：
单片机(4)，用来产生和处理电信号，并且根据接受到的电信号，对电信号进行处理得到角度值，并且输出到显示屏上；
高频方波信号放大电路(5)，对单片机输出的供能高频方波信号进行功率放大；高频方波信号滤波电路(6)，对输出或者输入的电信号进行滤波，减小外部杂波的干扰；
供能交流信号谐振电路(7)，对输出的供能交流信号进行电流放大；
能量发射线圈(8)，将具有功率的电信号以电磁波的形式向外辐射；
角度信号接收线圈(1)，接收由转子电路中发射线圈发射出来的发射交流信号；
角度信号放大电路(2)，对角度信号接收线圈(1)接收到的信号进行放大；
角度信号整流电路(3)，对接收到的初阶角度信息信号进行处理，得到该信号与角度有关的量而剔除与角度无关的量，即取初阶角度信息信号的峰值；
基准电压VREF产生电路，为电路中的信号提供一定的直流偏置。
3.根据权利要求1所述的基于无线电能传输和电磁感应的角度测量方法，其特征在于所述的转子电路包括：
能量接收线圈(9)，接收定子电路发射出来的由供能交流信号产生的电磁波；
整流电路(10)，对接收到的供能交流信号进行整流，产生能为转子电路供电的直流电源；
振荡电路(11)，用于产生低频正弦信号，提供发射线圈辐射电磁波的载体；
低频正弦信号滤波电路(12)，对振荡电路(11)产生的低频正弦信号进行滤波，减少因为干扰产生的高频噪声信号；
发射交流信号谐振电路(13)，对输出的发射交流信号进行电流放大；
发射线圈(14)，向定子电路发射经电流放大后的发射交流信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Lin Yiming Inventor after: Zheng Han Inventor after: Li Xiaoxiao Inventor after: Wu Jiande Inventor after: He Xiangning Inventor before: Lin Yiming Inventor before: Zheng Han Inventor before: Li Xiaoxiao |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: LIN YIMING ZHENG HAN LI XIAOXIAO TO: LIN YIMING ZHENG HAN LI XIAOXIAO WU JIANDE HE XIANGNING |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160608 Termination date: 20200331 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |