CN106197238A - 用于使用感应式传感器确定移动部件沿轴的位置的方法 - Google Patents

用于使用感应式传感器确定移动部件沿轴的位置的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于使用感应式传感器确定移动部件沿轴的位置的方法。本发明涉及一种用于使用感应式传感器（10）来确定移动部件（T）沿轴（X）的位置的方法，所述感应式传感器（10）包括：● 生成电磁场的初级绕组（B1），● 生成正弦函数类型的第一电压信号（V1）的第一次级绕组（R1），● 生成余弦函数类型的第二电压信号（V2）的第二次级绕组（R2），● 计算单元（20'），本发明的方法包括计算并且分布源自第一电压信号与第二电压信号的比率的反正切函数上的线性化点i的步骤，线性化点i根据正弦函数分布以便减少初级和次级绕组（R1,R2）的端部（E1,E2）处的目标（T）的位置（θ）上的误差。

Description

用于使用感应式传感器确定移动部件沿轴的位置的方法
技术领域
本发明涉及用于使用感应式位置传感器来确定目标沿轴的位置的方法。
背景技术
这种类型的传感器具有以下优势：允许在不需要与期望知晓其位置的部件的接触的情况下确定机械部件或任何其它元件的位置。由于这一优势，存在这些传感器在所有类型产业中的众多应用。这些传感器还被使用在消费者应用中，例如在其中想出本发明的机动车辆领域中。然而，本发明可以被使用在各种其它不同领域中。
感应式传感器的操作原理基于在不使用磁性电路的情况下以高频率进行操作的变压器的初级绕组与次级绕组之间的耦合的变化。这些绕组之间的耦合根据移动（电气）传导部件（通常被称为“目标”）的位置而变化。目标中所感应的电流具有修改次级绕组中所感应的电流的效果。通过适配绕组的配置，并且在给定注入到初级绕组中的电流的知识的情况下，次级绕组中所感应的电流的测量可以用于确定目标的位置。
出于将这种类型的感应式传感器并入到设备（特别是电子设备）中的目的，存在形成印刷电路卡上的前述变压器的已知方式。然后通过形成在印刷电路卡上的轨道创建初级绕组和次级绕组。初级绕组然后例如由外部源供电，并且次级绕组然后承载由初级绕组中的电流流动创建的磁场所感应的电流。作为传导部件（例如金属部件）的目标可以具有简单形状。目标可以例如是从薄板（sheet）切出的部件。为了产生线性传感器，用于形成目标的切出例如是矩形的，而对于旋转传感器，该切出例如呈具有适配于部件的移动的半径和角度的有角扇形的形状。
图3示出感应式传感器10，其除了其它组件之外包括供能初级绕组B1和两个接收次级绕组R1,R2。
目标T沿着感应式传感器（沿轴X）移动，从而修改由初级绕组B1生成的电磁通量所感应的次级绕组R1,R2中的电流（涡电流）。
一般地，提供两组次级绕组R1,R2，以分别形成目标T在感应式传感器10的完整行程内的位置的正弦和余弦函数。
第一和第二次级绕组R1,R2在其端子处作为空间角度θ的函数而生成正弦和余弦形式（参见图1）的第一电压信号V1和第二电压信号V2，从而表示目标T沿轴X的位置。
这些函数（余弦和正弦）是公知的并且可以容易地由在图3中示意性表示的并入到电子系统中的控制单元20处理。通过寻找正弦与余弦的比率并且然后应用反正切函数，获得目标T沿轴X的位置的图像（参见图2）。
这被示出在图2中，其表示作为目标T的位置P的函数的反正切函数“tan”。正弦和余弦函数的幅角是目标T的位置的线性（或仿射）函数，目标T的行程然后表示这些三角函数的空间周期的较大或较小部分。
如图2中所示，所得到的反正切函数不是严格线性的。
出于建立反正切函数与目标T沿轴的位置之间的直接关系的目的，例如根据空间角度θ，存在线性化从现有技术已知的反正切函数的方法。
出于该目的，向反正切函数应用线性回归y=ax+b，也就是说，a和b是两个常数。所述线性回归被应用于所述函数的值的连续段，其以相同空间角度间隔间隔开且等距（参见图2）。该线性回归对本领域技术人员是已知的。
对于每一个段，应用线性插值。这对本领域技术人员是已知的。
这导致直线性回归线DL，从而使得目标T的位置θ对于反正切函数的每一个值是直接已知的。
然而，反正切函数的线性化在目标的行程C的端部E1,E2处创建不精确性（参见图2），其中存在明显边缘效果。这种非完美的线性影响这些端部E1,E2处的目标T的位置P的精度。
如图1中所示，在每一个端部E1,E2处，存在目标T的实际位置θ与直线DL指示的位置之间相当大差异。
端部E1,E2处的这种不精确性将目标T的有用行程Cu减少至两个次级线圈R1,R2的长度L的大约60%（参见图2）。
发明内容
本发明提出克服这一问题，并且提出一种用于使用感应式位置传感器来确定目标T沿轴的位置的方法，由此所述目标T的行程Cu的端部E1,E2处的所述目标T的位置中的不精确性可以被减少，并且目标的有用行程Cu因此与现有技术相比可以被扩展。
本发明提出一种用于使用感应式传感器来确定移动部件（称为“目标”）沿轴的位置的方法，所述感应式传感器包括：
● 生成电磁场的初级绕组，
● 生成正弦函数类型的第一电压信号的第一次级绕组，第一电压信号表示当目标在第一次级绕组前方移动时所述第一次级绕组中所感应的电流，
● 生成余弦函数类型的第二电压信号的第二次级绕组，第二电压信号表示当目标在第二次级绕组前方移动时所述第二次级绕组中所感应的电流，
● 计算单元，
根据本发明的所述确定方法包括以下步骤：
● 步骤1：在第一电压信号和第二电压信号的基础上计算反正切函数，
● 步骤2：计算以该方式所计算的反正切函数与预定直线之间的误差，
● 步骤3：根据以下公式计算反正切函数的线性化点的位置：
其中：
i是线性化点的索引，其从1变化到n，
是作为空间角度的线性化点i的位置，
F是线性化点的间距因子，其中F＞0并且是这样的：
是作为空间角度的传感器沿轴的有用行程，
● 步骤4：对于反正切函数的每一个值，寻找线性化点的索引i使得：
其中：
是作为空间角度的线性化点i的位置，
是作为空间角度的线性化点(i+1)的位置，
是空间角度。
● 步骤5：根据以下公式计算要应用于反正切函数的校正
其中：
是空间角度θ处的对反正切函数的校正
是空间角度处的误差，
是空间角度处的误差，
是空间角度处的反正切函数的值，
是空间角度处的反正切函数的值，
是空间角度θ处的反正切函数的值。
● 步骤6：计算经校正的反正切函数：
其中：
是经校正的反正切函数，
是反正切函数，
是空间角度θ处的对反正切函数的校正。
● 步骤7：在以该方式校正的反正切函数的基础上确定目标沿轴的位置。
优选地，在步骤2中，预定直线是反正切函数的线性回归。
本发明还涉及用于感测目标沿轴的位置的感应式传感器，包括：
● 生成电磁场的初级绕组，
● 生成正弦函数类型的第一电压信号的第一次级绕组，第一电压信号表示当目标在第一次级绕组前方移动时所述第一次级绕组中所感应的电流，
● 生成余弦函数类型的第二电压信号的第二次级绕组，第二电压信号表示当目标在第二次级绕组前方移动时所述第二次级绕组中所感应的电流，
● 计算单元，
根据本发明，计算单元包括：
● 用于在第一电压信号和第二电压信号的基础上计算反正切函数的第一构件，
● 用于计算以该方式所计算的反正切函数与预定直线之间的误差的第二构件，
● 用于根据以下公式计算反正切函数的线性化点的位置的第三构件
其中：
i是线性化点的索引，其从1变化到n，
是作为空间角度的线性化点i的位置，
F是线性化点的间距因子，其中F＞0并且是这样的：
是作为空间角度的传感器沿轴的有用行程，
● 用于寻找线性化点的索引i使得对于反正切函数的每一个值而言以下成立的构件：
其中：
是作为空间角度的线性化点i的位置，
是作为空间角度的线性化点(i+1)的位置，
是空间角度。
● 用于根据以下公式计算要应用于反正切函数的校正的第四构件
其中：
是空间角度θ处的对反正切函数的校正
是线性化点i处的误差，
是线性化点(i+1)处的误差，
是点i处的反正切函数的值，
是点(i+1)处的反正切函数的值，
是空间角度θ处的反正切函数的值。
● 用于计算经校正的反正切函数的第五构件：
其中：
是经校正的反正切函数，
是反正切函数，
是空间角度θ处的对反正切函数的校正。
● 用于在以该方式校正的反正切函数的基础上确定目标沿轴的位置的构件。
本发明同等地适用于包括根据以上所列出的特性的感应式传感器的任何机动车辆。
附图说明
本发明的其它特性和优点将根据以下描述的阅读并且根据附图的查阅而显而易见，其中：
- 上文解释的图1根据空间角度θ示出分别在第一次级绕组R1和第二次级绕组R2的端子处的第一电压信号V1和第二电压信号V2，
- 上文解释的图2示出根据目标T沿轴X的位置P的反正切函数，
- 上文解释的图3示出根据现有技术的感应式传感器10，
- 图4示意性示出作为空间角度θ的函数的反正切函数相对于直线性回归线DL上的误差，
- 图5示意性示出作为空间角度θ的函数的根据本发明的线性化点i的分布，
- 图6示出根据本发明的经校正的反正切函数，
- 图7示意性示出根据本发明的计算单元20'。
具体实施方式
如图2中所示并且如上文所解释的，用于测量沿轴X移动的目标T的位置的感应式位置传感器10包括：
● 生成电磁场的初级绕组B1，
● 生成正弦函数类型的作为空间角度θ的函数的第一电压信号V1（参见图1）的第一次级绕组R1，第一电压信号V1表示当目标T在第一次级绕组前方沿轴X移动时所述第一次级绕组R1中所感应的电流，
● 生成余弦函数类型的作为空间角度θ的函数的第二电压信号V2（参见图1）的第二次级绕组R2，第二电压信号V2表示当目标T在第二次级绕组前方沿轴X移动时所述第二次级绕组R2中所感应的电流，
● 计算单元20，其向初级绕组B1供应电压，并且测量分别在第一次级绕组R1的端子处和在第二次级绕组R2的端子处的第一电压信号V1和第二电压信号V2，以便从其导出目标T沿轴X的位置。
为了清楚起见，目标T沿轴X的位置将在这里被表述为空间角度θ。应当指出的是，本发明可以以类似方式被应用于确定被表述为距离x（单位：cm或mm）的目标T沿轴X的位置。
根据现有技术，出于确定目标T沿轴X的位置的目的，存在以下已知方式：计算正弦与余弦之间（也就是说，第一电压信号V1与第二电压信号V2之间）的比率的反正切，如下：，并且然后通过向彼此以相同且等距的空间角度（参见图2）间隔开的所述函数的值的段应用类型的线性回归来线性化以该方式找到的反正切函数。
然而，这种确定位置T的现有技术方法不能用于在目标T的总行程的端部E1,E2处（也就是说在次级线圈R1,R2的端部E1,E2处）的目标T的位置的精确确定。
该缺点具有减少目标T的有用行程Cu的影响。
为了克服该缺点，本发明提出确定目标T的位置的以下方法，其在下文被解释。
在第一步骤（步骤1）中，如在现有技术确定方法中那样，计算反正切函数，使得：
其中：
V1是表示正弦函数的第一电压信号，
V2是表示余弦函数的第二电压信号。
在第二步骤（步骤2）中，根据本发明，计算反正切函数与预定直线DL之间的误差（参见图4）。
在优选实施例中，所述直线DL是反正切函数的线性回归，其具有等式（参见图2），并且因此：
所述误差被示出在图4中并且在目标T的行程的端部E1,E2处较大。
在第三步骤（步骤3）中，根据以下等式计算根据空间角度的反正切函数的线性化点i（也就是说，线性回归点）的位置：
其中：
是作为空间角度θ的线性化点i的位置，
i是线性化点的索引，其从1变化到n；在该示例中，n处于从5到101的范围。应当指出的是，n可以大于101。
F是线性化点i的间隔因子，其中F＞0并且是这样的：
是作为处于从0°到360°的范围的空间角度θ的传感器10沿轴X的有用行程。
π是等于3.14的常数。
本发明的本质在于使用正弦函数来在反正切函数内分布线性回归点i。通过根据正弦函数分布线性回归点i，可以使线性化点i的数目在反正切函数的端点E1,E2处更密集，其中误差是最大的（参见图4）。
应当指出的是，本发明可以通过使用反正切函数代替等式[1]中的正弦函数来实现。
图4示出9个线性回归点i；也就是说，n=9。前三个线性化点0,1,2位于端部E1处，并且后三个线性化点7,8,9位于端部E2处。
点0,1,2,7,8,9在端部E1,E2处的分布比点4,5,6在目标T的有用行程Cu的其余部分上的分布更密集。
在第四步骤（步骤4）中，对于反正切函数的每一个值，确定包含所述值的横坐标θ的线性回归点i的窗口。更确切地说，对于每一个值，确定线性化点的索引i，使得：
其中：
是作为空间角度的线性化点i的位置，
是作为空间角度的线性化点(i+1)的位置，
是空间角度。
在图5中示出示例。在该示例中，值对应于被包括在线性回归点i=7和(i+1)=8的窗口中的空间角度θ。
在步骤5中，根据以下公式计算要应用于反正切函数的校正：
其中：
是空间角度θ处的对反正切函数的校正，
是空间角度处的误差，
是空间角度处的误差，
是空间角度处的反正切函数的值，
是空间角度处的反正切函数的值，
是空间角度θ处的反正切函数的值。
然后，在第六步骤（步骤6）中，将以该方式计算的校正应用于反正切函数
其中：
是经校正的反正切函数，
是反正切函数，
是空间角度θ处的对反正切函数的校正。
这被示出在图6中；以该方式校正的反正切函数是直线，其与现有技术的直线性回归线DL不同。所述经校正的反正切函数在其端部E1,E2处具有所述经校正的函数与反正切函数之间的误差和，其小于反正切函数与现有技术的直线性回归线DL之间的误差和。
由于由本发明的确定方法在端部E1,E2处所提供的精度，目标T的有用行程Cu然后被相当大地加长。通过使用根据本发明的确定方法所找到的新的有用行程比现有技术的有用行程Cu长大约20%。例如，利用根据现有技术的线性化方法，有用行程Cu等于40 mm，而根据本发明的方法，新的有用行程是48 mm。
步骤1至7可以借助于软件使用电气连接到感应式传感器10的电子计算机或者可替换地通过使用根据本发明的计算单元20'（参见图7）而被执行。
本发明还涉及一种感应式位置传感器10，包括：
● 生成电磁场的初级绕组B1，
● 生成正弦函数类型的第一电压信号V1的第一次级绕组R1，
● 生成余弦函数类型的第二电压信号的第二次级绕组R2，
● 计算单元20'，
根据本发明，计算单元20'适配成执行以上详述的确定方法的步骤1至7。
出于该目的，根据本发明的计算单元20'包括（参见图7）：
● 用于在第一电压信号V1和第二电压信号V2的基础上计算反正切函数的第一构件（M1），
● 用于计算以该方式所计算的反正切函数与预定直线DL之间的误差的第二构件（M2）；在本发明的优选实施例中，预定直线DL是所述反正切函数的直线性回归线，
● 用于根据以下公式计算反正切函数的线性回归点i的位置的第三构件（M3）
其中：
是作为空间角度θ的线性化点i的位置，
i是线性化点的索引，其从1变化到n；在该示例中，n处于从5到101的范围，
F是线性化点i的间距因子，其中F＞0并且是这样的：
是作为处于从0°到360°的范围的空间角度θ的传感器10沿轴X的有用行程，
π是等于3.14的常数。
● 用于针对反正切函数的每一个值寻找线性化点的索引i使得以下成立的构件（MR）：
其中：
是作为空间角度的线性化点i的位置，
是作为空间角度的线性化点(i+1)的位置，
是空间角度。
● 用于根据以下公式计算要应用于反正切函数的校正的第四构件（M4）：
其中：
是空间角度θ处的对反正切函数的校正
是空间角度处的误差，
是空间角度处的误差，
是空间角度处的反正切函数的值，
是空间角度处的反正切函数的值，
是空间角度θ处的反正切函数的值。
● 用于计算经校正的反正切函数的第五构件（M5）：
其中：
是经校正的反正切函数，
是反正切函数，
是空间角度θ处的对反正切函数的校正。
● 用于在以该方式校正的反正切函数的基础上确定目标T沿轴X的位置θ的构件（MD）。
第一、第二、第三、第四和第五计算构件、搜索构件和确定构件M1、M2、M3、M4、M5、MR、MD采取集成到计算单元20'中的软件的形式（图7）。
本发明的本质在于由廉价软件构件执行的反正切函数的明智校正。
本发明因此使得能够相当大地扩展感应式位置传感器的有用行程，同时改进行程端部处的目标的位置的精度。

Claims (4)

1.一种用于使用感应式传感器（10）来确定被称为“目标”（T）的移动部件沿轴（X）的位置的方法，所述感应式传感器（10）包括：
● 生成电磁场的初级绕组（B1），
● 生成正弦函数类型的第一电压信号（V1）的第一次级绕组（R1），第一电压信号（V1）表示当目标（T）在第一次级绕组（R1）前方移动时所述第一次级绕组（R1）中所感应的电流，
● 生成余弦函数类型的第二电压信号（V2）的第二次级绕组（R2），第二电压信号（V2）表示当目标在第二次级绕组（R2）前方移动时所述第二次级绕组（R2）中所感应的电流，
● 计算单元（20'），
所述确定方法的特征在于，所述确定方法包括以下步骤：
● 步骤1：在第一电压信号（V1）和第二电压信号（V2）的基础上计算反正切函数，
● 步骤2：计算以该方式计算的反正切函数与预定直线（DL）之间的误差，
● 步骤3：根据以下公式计算反正切函数的线性化点的位置：
其中：
i是线性化点的索引，其从1变化到n，
是作为空间角度的线性化点i的位置，
F是线性化点的间距因子，其中F＞0并且是这样的：
是作为空间角度的传感器沿轴的有用行程，
● 步骤4：对于反正切函数的每一个值，寻找线性化点的索引（i）使得：
其中：
是作为空间角度的线性化点i的位置，
是作为空间角度的线性化点(i+1)的位置，
是空间角度，
● 步骤5：根据以下公式计算要应用于反正切函数的校正
其中：
是空间角度θ处的对反正切函数的校正
是空间角度处的误差，
是空间角度处的误差，
是空间角度处的反正切函数的值，
是空间角度处的反正切函数的值，
是空间角度θ处的反正切函数的值，
● 步骤6：计算经校正的反正切函数：
其中：
是经校正的反正切函数，
是反正切函数，
是空间角度θ处的对反正切函数的校正，
● 步骤7：在以该方式校正的反正切函数的基础上确定目标（T）沿轴（X）的位置（θ）。
2.根据前述权利要求所述的确定方法，其特征在于，在步骤2中，预定直线（DL）是反正切函数的线性回归。
3.一种用于感测目标（T）沿轴（X）的位置的感应式传感器（10），包括：
● 生成电磁场的初级绕组（B1），
● 生成正弦函数类型的第一电压信号（V1）的第一次级绕组（R1），第一电压信号（V1）表示当目标（T）在第一次级绕组（R1）前方移动时所述第一次级绕组（R1）中所感应的电流，
● 生成余弦函数类型的第二电压信号（V2）的第二次级绕组（R2），第二电压信号（V2）表示当目标在第二次级绕组（R2）前方移动时所述第二次级绕组（R2）中所感应的电流，
● 计算单元（20'），
其特征在于，计算单元（20'）包括：
● 用于在第一电压信号（V1）和第二电压信号（V2）的基础上计算反正切函数的第一构件（M1），
● 用于计算以该方式计算的反正切函数与预定直线（DL）之间的误差的第二构件（M2），
● 用于根据以下公式计算反正切函数的线性化点的位置的第三构件（M3）
其中：
i是线性化点的索引，其从1变化到n，
是作为空间角度的线性化点i的位置，
F是线性化点的间距因子，其中F＞0并且是这样的：
是作为空间角度的传感器沿轴的有用行程，
● 用于寻找线性化点的索引（i）使得对于反正切函数的每一个值而言以下成立的构件（MR）：
其中：
是作为空间角度的线性化点i的位置，
是作为空间角度的线性化点(i+1)的位置，
是空间角度，
● 用于根据以下公式计算要应用于反正切函数的校正的第四构件（M4）
其中：
是空间角度θ处的对反正切函数的校正
是线性化点i处的误差，
是线性化点(i+1)处的误差，
是点i处的反正切函数的值，
是点(i+1)处的反正切函数的值，
是空间角度θ处的反正切函数的值，
● 用于计算经校正的反正切函数的第五构件（ M5）：
其中：
是经校正的反正切函数，
是反正切函数，
是空间角度θ处的对反正切函数的校正，
● 用于在以该方式校正的反正切函数的基础上确定目标（T）沿轴（X）的位置的构件（MD）。
4.一种机动车辆，其特征在于，所述机动车辆包括如前述权利要求所述的感应式传感器（10）。
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