CN105164501B - 用于无接触测量角度的方法和角度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于测量在第一机械元件和可相对于其旋转的第二机械元件之间的角度的角度传感器和方法。多个线圈(02，03，04，06，07，08)抗转动地与第一机械元件连接，所述多个线圈包括至少五个围绕旋转轴线分布的发射线圈(02，03，04，08，07)。每个发射线圈(02，03，04，06，07)在一个扇区中围绕旋转轴线设置。与第二机械元件抗转动连接的铁芯元件(00)以扇区的形式与发射线圈(02，03，04，06，07)相对置。在方法的一个步骤中，对各个发射线圈(02，03，04，06，07)加载电的初级电压脉冲。通过初级电压脉冲分别在至少一个另外的线圈(08)中感生次级电压脉冲。选择如下发射线圈(03，06)，所述发射线圈的扇区仅部分地被铁芯元件(00)覆盖。基于在与所选择的发射线圈(06)相关联的次级电压脉冲的振幅与振幅最大值之间的比例形成来确定要测量的角度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于无接触地测量在第一机械元件和可相对于第一机械元件旋转的第二机械元件之间的角度的方法。该方法例如能够用于测量汽车领域中的角度。本发明还涉及一种用于测量角度的角度传感器。
背景技术
DE 10 2008 012 922 A1示出一种具有平面布置的定子和转子的感应式角度传感器，其中在定子上设置励磁元件和至少一个接收元件。转子包括圆形导体，在所述圆形导体的外环周上构成圆环区段形式的翼部。
从DE 101 56 238 A1中已知用于机动车的感应式的角度传感器，其中励磁线圈经由可移动的感应式的耦合元件与多个接收线圈感应耦合。耦合元件分别构成为具有周期几何形状的导体圈。
DE 199 46 934 A1示出用于应用在机动车中的模块，所述模块设置用于测量角度、用于无接触的能量传递和用于无接触的信息传递。该模块包括具有初级线圈的定子侧的器件和具有短接的次级线圈的转子侧的器件以用于确定角位置。
发明内容
基于现有技术，本发明的目的在于：在感应测量角度时提高精度并且降低例如用于在汽车领域中的应用的对此所需的电流需求。此外，应当改进对于外部影响、即例如提高的温度或从外部作用的磁场的鲁棒性。
根据本发明的方法用于测量第一机械元件和能相对于所述第一机械元件围绕旋转轴线旋转的第二机械元件之间的角度。在此，其能够为可彼此以任意多转数旋转的机械元件或者为仅受限制地、例如仅彼此能够旋转四分之一转的机械元件。可旋转的第二机械元件例如能够为调节设备，使得借助根据本发明的方法能够测量调节设备的位置。根据本发明的方法优选应用在汽车领域中。
多个线圈抗转动地与第一机械元件连接。线圈优选固定地与第一机械元件连接。线圈包括至少五个围绕所述旋转轴线分布的发射线圈。每个发射线圈设置在围绕旋转轴线的扇区中。线圈的扇区与旋转轴线同轴地设置。铁芯元件与第二机械元件固定地连接。铁芯元件优选与第二机械元件固定地连接。铁芯元件以围绕旋转轴线的扇区的形式与发射线圈相对置。因此，设置在扇区中的发射线圈和扇区形的铁芯元件相对置。铁芯元件的扇区同样与旋转轴线同轴地设置。铁芯元件的扇区具有比发射线圈的各个扇区更大的圆心角。优选地，铁芯元件的扇区具有至少是发射线圈的各个扇区的圆心角双倍大的圆心角。因为铁芯元件不完整地在环周上围绕旋转轴线作用，所以其仅覆盖发射线圈的围绕旋转轴线分布的一部分。在每个角位置中，发射线圈中的至少一个完全不被铁芯元件覆盖。在每个角位置中，发射线圈中的至少一个部分地由铁芯元件覆盖。原则上，根据要测量的角度、即铁芯元件的角位置或角方位，由铁芯元件对发射线圈的扇区覆盖相应的扇区的0％和100％之间的份额。由于扇区形作用的铁芯元件，发射线圈的扇区的被覆盖的份额同样具有扇区形状。因此，相应的发射线圈的扇区的扇区形的覆盖部的圆心角与相应的发射线圈的扇区的圆心角的比例为所提出的份额。
线圈和铁芯元件能够理解为角度传感器的部件。就此，根据本发明的方法也为用于运行角度传感器的方法。
根据本发明的方法首先包括如下步骤：其中对各个发射线圈加载电的初级电压脉冲。通过初级电压脉冲分别在至少一个另外的线圈中感生次级电压脉冲。能够将次级电压脉冲分别与初级电压脉冲中的一个相关联，进而也与通过所述初级电压脉冲加载的发射线圈相关联。次级电压脉冲的振幅分别与通过铁芯元件覆盖分别相关联的发射线圈的扇区的份额相关。当分别相关联的发射线圈的扇区完全地由铁芯元件覆盖时，那么这引起次级电压脉冲的高的振幅。如果相反分别相关联的发射线圈的扇区完全不被铁芯元件覆盖，那么这引起次级电压脉冲的小的振幅。
根据本发明，在完全确定要测量的角度之前进行两个步骤。在这两个步骤中的一个步骤中，选择发射线圈中的其扇区仅部分地被铁芯元件覆盖的发射线圈。基于次级电压脉冲的振幅的比较进行该选择。根据与所选择的发射线圈相关联的次级电压脉冲的振幅在所提出的步骤中的第二步骤中精确地确定要测量的角度。要测量的角度的确定根据与所选择的发射线圈相关联的次级电压脉冲的振幅与振幅最大值之间的比例形成进行。此外，参考所选择的发射线圈的扇区，使得第一机械元件和第二机械元件之间的角位置的绝对关系是能实现的。通过与所选择的发射线圈相关联的次级电压脉冲的振幅与振幅最大值之间的比例形成，最后确定所选择的发射线圈的扇区的覆盖部的份额。该份额与要测量的角度相关。因为所选择的发射线圈的扇区的角位置是已知的，因此能够确定要测量的角度。
根据本发明的方法一个特别的优点在于：通过至少五个发射线圈的数量和通过选择具有仅部分地被铁芯元件覆盖的扇区的发射线圈能够基于一个发射线圈进行要测量的角度的确定，所述发射线圈不仅仅在边缘区域由铁芯元件覆盖或未覆盖。通过排除发射线圈的边缘区域，根据感生的次级电压脉冲确定要测量的角度，所述次级电压脉冲通过发射线圈的中央部分中的磁场引起，在那里磁场尽可能均匀地构成。这引起在确定要测量的角度时的高的精度。
优选地，铁芯元件对所选择的发射线圈的扇区相对于其圆心角至少至四分之一进行覆盖。此外，铁芯元件对所选择的发射线圈的扇区优选相对于其圆心角直至四分之三进行覆盖。因此，优选仅扇区相对于其圆心角的中间的一半考虑用于确定要测量的角度。
在根据本发明的方法的优选的实施方式中，具有仅部分地被铁芯元件覆盖的扇区的发射线圈的选择包括如下子步骤：在第一子步骤中，由两个振幅形成平均值。要形成的平均值的第一振幅为次级电压脉冲中的与其扇区完全被铁芯元件覆盖的发射线圈相关联的次级电压脉冲的振幅。要形成的平均值的第二振幅为次级电压脉冲中的与其扇区完全不被铁芯元件覆盖的发射线圈相关联的次级电压脉冲的振幅。在另一子步骤中，选择具有仅部分地被铁芯元件覆盖的扇区的发射线圈中的下述发射线圈，所述发射线圈的相关联的次级电压脉冲具有最接近平均值的振幅。由此确保：所选择的发射线圈最接近被铁芯元件覆盖一半。
在根据本发明的方法的另一优选的实施方式中，具有仅部分地被铁芯元件覆盖的扇区的发射线圈中的一个的选择包括如下子步骤：在第一子步骤中，对于具有仅部分地被铁芯元件覆盖的扇区的每个发射线圈关联有一个差值。每个所述差通过被减数和通过减数形成。所述差的被减数分别通过两个振幅的平均值形成。这两个所述振幅的第一振幅为次级电压脉冲中的与具有完全被铁芯元件覆盖的传感器的、距相应的发射线圈最近的相邻的发射线圈相关联的次级电压脉冲的振幅。在此，优选涉及具有完全被铁芯元件覆盖的传感器的下述发射线圈，所述发射线圈与相应的发射线圈直接相邻。要形成的平均值的两个振幅的第二振幅是次级电压脉冲中下述次级电压脉冲，所述次级电压脉冲与具有完全不被铁芯元件覆盖的扇区的、距相应的发射线圈最近的发射线圈相关联。其优选涉及具有完全不被铁芯元件覆盖的扇区的、与相应的发射线圈直接相邻的发射线圈。差的减数分别通过与相应的发射线圈相关联的次级电压脉冲的振幅形成。在另一步骤中，选择具有仅部分地被铁芯元件覆盖的扇区的发射线圈中的下述发射线圈，所述发射线圈与所述差中的绝对值最小的差相关联。由此确保：所选择的发射线圈最接近被铁芯元件覆盖一半。
发射线圈的扇区优选具有相同的圆心角。发射线圈的扇区优选也是相同大的。优选地，发射线圈的扇区围绕旋转轴线均匀地分布。
发射线圈的扇区优选通过围绕旋转轴线的圆环扇区形成。旋转轴线附近的区域例如能够用于穿引轴，圆环扇区形的扇区围绕所述轴设置。
优选地，发射线圈的圆环扇区与旋转轴线同轴地设置。发射线圈的扇区优选成对地围绕旋转轴线直接相邻地设置。
优选地，应用五个发射线圈，所述发射线圈的扇区分别具有62°和72°之间的圆心角，尤其优选67°和72°之间的圆心角。72°的理想的圆心角能够由于发射线圈的绕组的设置而技术上不能够完全地实现。
通过应用多于五个发射线圈能够提高角度测量的精度。
发射线圈优选共同地位于一个平面中，所述平面垂直于旋转轴线并且与铁芯元件轴向相邻地设置。此外，发射线圈优选平面地构成，尤其构成为电路板上的印制导线。
尤其优选的是，线圈还包括接收线圈，所述接收线圈完全地围绕旋转轴线并且在第二机械元件相对于第一机械元件旋转时基本上与铁芯元件相对置。在此，次级电压脉冲被感生到接收线圈中。
接收线圈优选圆形地构成并且与旋转轴线同轴地构成。接收线圈也优选平面地构成，尤其通过与发射线圈相同的电路板上的印制导线构成。接收线圈也能够通过多个电连接的单独线圈形成。
替选地，能够放弃应用接收线圈。在该情况下，次级电压脉冲被感生到发射线圈中。
在根据本发明的方法的一个优选的实施方式中，对各个发射线圈时间上依次加载各个初级电压脉冲。初级电压脉冲必须时间足够长，以便在发射线圈中形成相同的电流。初级电压脉冲的下降沿必须足够陡，以便不影响发射线圈的衰减。
初级电压脉冲优选具有梯形信号形状。还优选的是，初级电压脉冲具有矩形信号形状。
在根据本发明的方法的简单的实施方式中，通过次级电压脉冲的振幅中的最大的振幅形成振幅最大值。
优选地，振幅最大值通过次级电压脉冲中的与如下发射线圈相关联的次级电压脉冲的振幅形成，所述发射线圈与所选择的发射线圈相邻并且所述发射线圈的扇区完全被铁芯元件覆盖。
尤其优选的是，振幅最大值通过次级电压脉冲中的与如下发射线圈相关联的次级电压脉冲的振幅形成，所述发射线圈与所选择的发射线圈最相邻并且所述发射线圈的扇区完全被铁芯元件覆盖，其中减去次级电压脉冲中的与如下发射线圈相关联的次级电压脉冲的振幅，所述发射线圈与所选择的发射线圈最相邻并且所述发射线圈的扇区完全不被铁芯元件覆盖。
铁芯元件优选在一个圆扇区中与发射线圈相对置。替选地，能够省略围绕旋转轴线的区域，使得铁芯元件在一个圆环扇区中与发射线圈相对置。
铁芯元件优选构成为圆扇区或构成为圆环扇区。因为铁芯元件也具有一定高度或一定轴向宽度，所以其相应地构成为平的圆扇区柱或构成为平的圆环扇区柱。
铁芯元件的扇区优选垂直于旋转轴线设置。
铁芯元件的扇区具有优选90°和270°之间的圆心角。由此确保：发射线圈的扇区中的至少一个完全被铁芯元件覆盖并且扇区中的一个完全不被铁芯元件覆盖。
尤其优选地，铁芯元件的扇区具有180°的圆心角。因此，铁芯元件通过半圆或通过平的半圆柱形成。在替选的实施方式中，铁芯元件的扇区具有150°或220°的圆心角，尤其是在与六个发射线圈相结合的情况下。
铁芯元件的特征在于：其是铁磁的。优选地，铁芯元件由软磁材料制成。尤其优选地，铁芯元件通过注塑工件形成，软磁的铁氧体粉末分布在所述注塑工件中。
次级电压脉冲优选直接地引导至A/D转换器(模数转换器)，使得在数字信号层面上进行与所选择的发射线圈相关联的次级电压脉冲的振幅与振幅最大值之间的比例形成。
根据本发明的角度传感器用于测量在第一机械元件和能相对于第一机械元件围绕旋转轴线旋转的第二机械元件之间的角度的角度传感器。角度传感器首先包括多个待与第一机械元件抗转动地连接的线圈。线圈包括至少五个发射线圈，所述发射线圈分别在一个扇区中围绕所述旋转轴线分布。角度传感器还包括待与第二机械元件抗转动地连接的铁芯元件，所述铁芯元件以围绕旋转轴线的扇区的形式与发射线圈相对置。由此根据要测量的角度由铁芯元件对发射线圈的扇区分别覆盖相应扇区的0％和100％之间的份额。测量电子装置形成角度传感器的另一部件，所述测量电子装置配置用于实施根据本发明的方法的步骤。
根据本发明的角度传感器的优选的实施方式也具有如下特征，所述特征针对在根据本发明的方法和在根据本发明的方法的优选的实施方式中应用的部件来说明。根据本发明的角度传感器的测量电子装置优选也配置用于实施这种步骤，其针对根据本发明的方法的优选的实施方式来说明。
测量电子装置优选包括微处理器，将发射线圈分别经由功率电子开关元件、尤其分别经由晶体管连接到所述微处理器上。
线圈例如通过将其固定在电路板上或者共同地构成在电路板上来优选固定地彼此连接。
线圈优选也包括接收线圈。微处理器优选具有集成的A/D转换器，接收线圈直接地、即在没有电压变换的情况下连接到所述集成的A/D转换器上。
根据本发明的角度传感器优选在机动车的部件上或其中构成。尤其优选的是，根据本发明的角度传感器构成在机动车的阀上，使得借助于角度传感器能够测量阀的位置。更尤其优选的是，根据本发明的角度传感器构成在机动车的冷却剂管道的阀上。
附图说明
本发明的其他的优点、细节和改进形式在参考附图的情况下从根据本发明的角度传感器的优选的实施方式的下面的描述中得出。其示出：
图1示出根据本发明的角度传感器的原理图；和
图2示出根据本发明的角度传感器的另一优选的实施方式的电路图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的角度传感器的一个优选的实施方式的原理图。角度传感器首先包括电路板01，在所述电路板上通过印制导线构成五个发射线圈02、03、04、06、07。五个发射线圈02、03、04、06、07分别构成为圆环扇区并且共同地形成圆环。在电路板01上还构成印制导线形式的接收线圈08，所述接收线圈环周地包围五个发射线圈02、03、04、06、07的整体。上面存在五个发射线圈02、03、04、06、07和上面存在接收线圈08的电路板01固定在第一机械元件(未示出)上。可相对于第一机械元件旋转的第二机械元件(未示出)具有设置在旋转轴线上的铁芯元件09，所述铁芯元件与第二机械元件共同地围绕第一机械元件和电路板01旋转。铁芯元件09由软磁材料构成并且在横截面中具有半圆形状，使得其构成为平的半圆柱。第二机械元件的旋转轴线位于五个发射线圈02、03、04、06、07整体的中点中。铁芯元件09的半圆形状的中心同样位于旋转轴线中。铁芯元件09与电路板01轴向相邻地设置，使得其根据要测量的角度而与接收线圈08的一部分和五个发射线圈02、03、04、06、07中的一些相对置。
A/D转换器11、控制单元12和驱动器放大器13形成测量电子装置，所述测量电子装置与五个发射线圈02、03、04、06、07和接收线圈08电连接并且与其远离地设置。接收线圈08与A/D转换器11电连接。由A/D转换器11数字化的信号被输送给控制单元12。借助于控制单元12产生初级电压脉冲，所述初级电压脉冲经由驱动器放大器13放大并且引导至发射线圈02、03、04、06、07。在评估感生到接收线圈08中的次级电压脉冲时，经由控制单元12确定和输出在第一机械元件和第二机械元件之间的角度的数值。
图2示出根据本发明的角度传感器的另一优选的实施方式的电路图。在电路板16上设置有一个接收线圈L1和九个发射线圈L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9、L10。测量电子装置包括集成电路IC1，通过所述集成电路输出初级电压脉冲，所述初级电压脉冲通过晶体管T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9放大，以便借此加载发射线圈L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9、L10。集成电路IC1包括A/D转换器，接收线圈L1直接地连接到所述A/D转换器上。
附图标记列表
01 电路板
02 发射线圈
03 发射线圈
04 发射线圈
06 发射线圈
07 发射线圈
08 接收线圈
09 铁芯元件
11 A/D转换器
12 控制单元
13 驱动器放大器
16 电路板
Claims (12)
1.一种用于测量在第一机械元件和能相对于所述第一机械元件围绕旋转轴线旋转的第二机械元件之间的角度的方法，
-其中多个线圈(02，03，04，06，07，08)抗转动地与所述第一机械元件连接，所述线圈包括至少五个发射线圈(02，03，04，06，07)，所述发射线圈围绕所述旋转轴线分布并且分别设置在围绕所述旋转轴线的扇区中；
-其中铁芯元件(09)与所述第二机械元件抗转动连接，其中所述铁芯元件(09)以围绕所述旋转轴线的扇区的形式与所述发射线圈(02，03，04，06，07)相对置，由此根据要测量的角度由所述铁芯元件(09)分别对所述发射线圈(02，03，04，06，07)的扇区覆盖相应的所述扇区的0％和100％之间的份额；并且
其中所述方法包括如下步骤：
-对各个所述发射线圈(02，03，04，06，07)加载初级电压脉冲，其中通过所述初级电压脉冲分别在至少一个另外的线圈(08)中感生次级电压脉冲，其中能够将所述次级电压脉冲分别与所述发射线圈(02，03，04，06，07)中的一个相关联，并且其中所述次级电压脉冲的振幅分别与相应相关联的所述发射线圈(02，03，04，06，07)的通过所述铁芯元件(09)覆盖的扇区的份额相关；和
-基于所述次级电压脉冲的振幅的比较，选择所述发射线圈(03，06)中的具有仅部分地被所述铁芯元件(00)覆盖的扇区的一个发射线圈；和
-基于在与所选择的发射线圈(06)相关联的所述次级电压脉冲的振幅与振幅最大值之间的比例形成并且通过参考所选择的发射线圈(06)的扇区来确定要测量的角度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铁芯元件(09)对所选择的所述发射线圈(06)的扇区的关于其圆心角至少至四分之一并且直至四分之三进行覆盖。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，选择所述发射线圈(03，06)中的具有仅部分地被所述铁芯元件(09)覆盖的扇区的一个发射线圈包括如下子步骤：
-分别将一个差与每个具有仅部分地被所述铁芯元件(09)覆盖的扇区的发射线圈(03，06)相关联，其中分别通过所述次级电压脉冲中的与具有完全被所述铁芯元件(09)覆盖的扇区的距相应的所述发射线圈(03，06)最近的相邻的所述发射线圈(04)相关联的次级电压脉冲的振幅和所述次级电压脉冲中的与具有完全不被所述铁芯元件(09)覆盖的扇区的距相应的所述发射线圈(03，06)最近的所述发射线圈(02，07)的次级电压脉冲的振幅的平均值形成所述差的被减数，并且其中所述减数分别通过与相应的所述发射线圈(03，06)相关联的次级电压脉冲的振幅形成；和
-选择所述发射线圈(03，06)中的具有仅部分地被所述铁芯元件(09)覆盖的扇区的发射线圈，所述扇区与所述差中的绝对值最小的差相关联。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射线圈(02，03，04，06，07)的所述扇区具有相同的圆心角并且围绕所述旋转轴线均匀分布。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线圈(02，03，04，06，07，08)还包括接收线圈，所述接收线圈完全地围绕所述旋转轴线并且在所述第二机械元件相对于所述第一机械元件旋转时与所述铁芯元件(09)相对置，其中所述次级电压脉冲感生到所述接收线圈中。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各个所述发射线圈(02，03，04，06，07)时间上依次加载各个所述初级电压脉冲。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述振幅最大值通过所述次级电压脉冲中的与如下发射线圈(04)相关联的次级电压脉冲的振幅形成，所述发射线圈与所选择的发射线圈(06)相邻并且所述发射线圈的扇区完全地由所述铁芯元件(09)覆盖。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述振幅最大值通过所述次级电压脉冲中的与如下发射线圈(04)相关联的次级电压脉冲的振幅形成，所述发射线圈与所选择的发射线圈(06)相邻并且所述发射线圈的扇区完全被所述铁芯元件(09)覆盖，其中减去所述次级电压脉冲中的与如下发射线圈(07)相关联的次级电压脉冲的振幅，所述发射线圈与所选择的发射线圈(06)相邻并且所述发射线圈的扇区完全不被所述铁芯元件覆盖。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铁芯元件(09)的所述扇区具有180°的圆心角。
10.一种用于测量在第一机械元件和能相对于所述第一机械元件围绕旋转轴线旋转的第二机械元件之间的角度的角度传感器，其包括如下部件：
-多个待与所述第一机械元件抗转动地连接的线圈(02，03，04，06，07，08)，所述线圈包括至少五个发射线圈(02，03，04，06，07)，所述发射线圈分别在一个扇区中围绕所述旋转轴线分布；
-待与所述第二机械元件抗转动地连接的铁芯元件(09)，所述铁芯元件以围绕所述旋转轴线的扇区的形式与所述发射线圈(02，03，04，06，07)相对置，由此根据要测量的角度由所述铁芯元件(09)对所述发射线圈(02，03，04，06，07)的所述扇区分别覆盖相应扇区的0％和100％之间的份额；和
-测量电子装置(11，12，13)，所述测量电子装置配置用于实施根据权利要求1至9中任一项所述的方法的步骤。
11.根据权利要求10所述的用于测量角度的角度传感器，其特征在于，其应用在热管理模块中。
12.根据权利要求1所述的用于测量角度的方法，其特征在于，其应用在热管理模块中。
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