CN106796118B - 用于无接触地检测旋转构件的转动角度的传感器组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于无接触地检测旋转构件的转动角度的传感器组件(1)，其中，旋转构件与盘状的目标物(20)耦联，该目标物具有至少一个金属面(24)具有并且与具有至少一个平面式的探测线圈(42、44、46)的线圈组件(40)结合产生用于确定旋转构件的当前的转动角度的至少一种信息。根据本发明，至少一个测量电路(3)将对应的平面式的探测线圈(42、44、46)的电感转变成测量信号(UM)，该电感根据与旋转目标物(20)的至少一个金属面(24)的重叠程度由于涡流效应而改变，评估和控制单元(10)借助测量技术检测该测量信号并且为了算出转动角度进行评估。

Description

用于无接触地检测旋转构件的转动角度的传感器组件
技术领域
本发明涉及根据独立权利要求1的类型的、用于无接触地检测转动角度的传感器组件。
背景技术
旋转构件的转动角度的测量通常通过使用磁传感器实现。在此，待测量的旋转构件配有永磁体。例如可集成在集成电路中的对应的磁场传感器测量在两个或三个空间方向上的场强并且推导出角方向。
此外，由现有技术已知不同的感应式转动角度传感器。在多数情况下，在激励线圈和一个或多个传感器线圈之间的耦合受到耦合元件(目标物)的转角位置的影响。耦合系数的评估需要昂贵的电子设备。
文献DE 197 38 836 A1例如公开了一种感应式角度传感器，其具有定子元件、转子元件和评估电路。定子元件具有被加载周期性的交流电压的激励线圈以及多个接收线圈。转子元件根据其相对于定子元件的角度位置预定在激励线圈和接收线圈之间的感应式耦合的强度。评估电路由在接收线圈中感应的电压信号确定转子元件相对于定子元件的角度位置。
发明内容
与此相对，根据本发明的、具有独立权利要求1的特征的用于无接触地检测转动角度的传感器组件具有的优点是，通过将线圈电感转变成测量信号、优选地转变成模拟电压来执行针对线圈电感或金属上盖对至少一个探测线圈的影响的评估或借助测量技术的确定。实施的测量原理将磁能转变成电能。这使得能够有利地以很少的硬件成本实现借助测量技术确定探测线圈的电感。
根据本发明的传感器组件的实施方式使得能够在使用成本便宜的标准构件(例如晶体管、二极管和电容器)的情况下结合具有模拟/数字转换器的微型控制器实施根据本发明的测量原理。因为这种微型控制器已经大量地存在于在车辆中，所以可简单且成本便宜地实施这种感应测量。此外，测量电路可随时容易地集成到为了其他功能已经包含微型控制器的方案中。由于很少的构件数量，专门的ASIC开发是可能的，然而不是必要的。因此，测量原理的使用可极其灵活。
本发明的实施方式提供了一种用于无接触地检测旋转构件的转动角度的传感器组件，旋转构件与盘状的目标物耦联，目标物具有至少一个金属面并且与具有至少一个平面式的探测线圈的线圈组件结合产生用于确定旋转构件的当前的转动角度的至少一种信息。根据本发明，至少一个测量电路将对应的平面式的探测线圈的电感转变成测量信号(该电感根据与旋转目标物的至少一个金属面的重叠程度由于涡流效应而改变)，评估和控制单元借助测量技术检测测量信号并且为了算出转动角度进行评估。
在此，评估和控制单元可理解成电路或电气设备，例如控制器，其处理或评估检测到的传感器信号。评估和控制单元可具有至少一个接口，接口可通过硬件和/或软件构造而成。在通过硬件来构造的方案中，接口例如可为所谓的系统-ASIC的一部分，其含有评估和控制单元的各种功能。然而，同样可行的是，接口为单独的集成电路或至少部分地由分立的结构元件构成。在通过软件来构造的方案中，接口可为软件模块，其例如与其他软件模块并存于微型控制器中。同样有利的是具有程序代码的计算机程序产品，程序代码存储在机器可读的载体上，例如半导体存储器、硬盘存储器或光存储器并且当评估和控制单元实施程序时用于执行评估。
通过在从属权利要求中提及的措施和改进方案可有利地改进在独立权利要求1中给出的用于无接触地检测转动角度的传感器组件。
特别有利的是，至少一个测量电路可包括电容器，该电容器与待评估的探测线圈电气地并联并且可在测量过程期间接收通过探测线圈的电感存储的能量。探测线圈的电感的磁能可优选地借助于定向的电流脉冲通过二极管传输给电容器，电容器可将传输的能量作为电能存储。在评估过程期间，电容器可将存储的电能作为测量信号发送给评估和控制单元。优选地，测量信号是电压信号或电流信号。
在根据本发明的传感器组件的有利的设计方案中，至少一个测量电路可具有多个电子开关，评估和控制单元可通过对应的操控信号切换该电子开关。电子开关例如可实施为晶体管，优选地实施为场效应晶体管。通过操控对应的电子开关，评估和控制单元可使待评估的探测线圈在激励阶段期间接通工作电压和参考电势。在测量过程开始时，评估和控制单元例如可通过对应的电子开关的转接使待评估的探测线圈与参考电势分离。在评估过程开始时，评估和控制单元例如可通过对应的电子开关的转接使至少一个探测线圈与工作电压分离，并且使电容器的联接点与参考电势连接。评估和控制单元可在电容器和对应的探测线圈的共同的联接点处抓取测量信号以进行评估。
在根据本发明的传感器组件的另一有利的设计方案中，评估和控制单元可包括具有A/D转换器的微型控制器，其可评估测量信号。
附图说明
在附图中示出了本发明的实施例，并且在下文的说明中对其进行进一步阐述。在附图中，相同的附图标记表示实施相同或相似功能的零件或元件。
图1示出了根据本发明的用于无接触地检测转动角度的传感器组件的一实施例的示意性的俯视图。
图2示出了用于图1的根据本发明的传感器组件的测量电路的一实施例的示意性的电路图。
具体实施方式
如由图1和图2可见的那样，根据本发明的用于无接触地检测旋转构件的转动角度的传感器组件1的示出的实施例包括：与旋转构件耦联的目标物20，该目标物具有环形盘状的基体22，该基体具有至少一个金属面24；和线圈组件40，其具有至少一个平面式的探测线圈42、44、46，探测线圈布置在圆形的电路板30上。显然，电路板30不必是圆形的，电路板30还可具有其他合适的形状。目标物20结合线圈组件40产生用于确定旋转构件的当前的转动角度的至少一种信息。根据本发明，至少一个测量电路3将对应的平面式的探测线圈42、44、46的电感L转变成测量信号UM，该电感根据与旋转目标物20的至少一个金属面24的重叠程度由于涡流效应而改变，评估和控制单元10借助测量技术检测该测量信号并且为了算出转动角度进行评估。
在示出的实施例中，线圈组件40包括三个平面式的探测线圈42、44、46，探测线圈均匀分布地布置在圆的周向上，并且旋转目标物20包括两个金属面24，金属面由于涡流效应根据重叠程度影响平面式的探测线圈42、44、46的电感L。在此，测量电路3产生测量信号UM，测量信号代表相应的探测线圈42、44、46的电感变化。在示出的实施例中，传感器组件1包括三个测量电路3，测量电路分别分配给探测线圈42、44、46中的一个。
如由图1进一步可见的那样，在示出的实施例中，线圈组件40布置在圆形的电路板30上并且与评估和控制单元10电气连接。目标物20的在附图中透明地示出的环形盘状的基体22以预定的保持不变的轴向间距布置在电路板30上方或下方。探测线圈42、44、46与有传导能力的金属面24的重叠在探测线圈42、44、46通过交流电流激励阶段期间引起感应电压的产生，其通过金属短路。电流产生反作用于其起因的磁场。最终，探测线圈42、44、46的电感L由此显得更小。电感L的测量能够确定重叠程度并且因此确定转动角度。在示出的实施例中，未进一步示出的旋转构件可为轴，该轴以足够的侧向间隙被引导通过电路板30中的圆形开口并且不可相对转动地与目标物20的基体22连接。
如由图2进一步可见的那样，至少一个测量电路3包括电容器C，该电容器与待评估的探测线圈42、44、46电气地并联并且在测量过程期间接收由探测线圈42、44、46的电感L存储的能量。在示出的实施例中，探测线圈42、44、46的电感L的磁能可借助于定向的电流脉冲通过二极管D传输给电容器C，电容器将传输的能量作为电能存储。在评估过程期间，电容器C将存储的电能作为测量信号UM发送给评估和控制单元10。此外，至少一个测量电路3具有多个电子开关Sl、S2、S3，评估和控制单元10通过对应的操控信号A1、A2、A3对电子开关进行切换。在示出的实施例中，电子开关Sl、S2、S3实施为晶体管，优选地实施为场效应晶体管。
如由图2进一步可见的那样，探测线圈42、44、46可分别通过可由评估和控制单元10通过第一操控信号A1切换的第一电子开关Sl接通工作电压UB，并且通过可由评估和控制单元10通过第二操控信号A2切换的第二电子开关S2与参考电势、在此为接地线连接。在激励阶段期间，评估和控制单元10通过对第一电子开关Sl进行切换为待评估的探测线圈42、44、46接通工作电压UB，并且通过对第二电子开关S2进行切换使待评估的探测线圈与参考电势连接。在测量过程开始时，评估和控制单元10通过第二开关S2的转接使待评估的探测线圈42、44、46与参考电势分离。在第二开关S2的转接过程之后，对应的探测线圈42、44、46的能量通过二极管D传输给电容器C。在电容器C处的电压UM可大致通过等式(1)和(2)算出。
在评估过程开始时，评估和控制单元10通过第一开关Sl的转接使至少一个探测线圈42、44、46与工作电压UB分离，第二开关S2已经断开。通过切换第三开关S3，评估和控制单元10使电容器C的联接点与参考电势连接。因此，评估和控制单元10可在电容器C和对应的探测线圈42、44、46的共同的联接点处抓取测量信号UM。因此，测量信号UM可测得为在探测线圈42、44、46和电容器C之间的连接点处相对于参考电势的模拟的电压信号。为了评估测量信号UM，评估和控制单元10包括具有A/D转换器的微型控制器，A/D转换器将模拟的测量信号UM转换成数字信号。
所说明的测量原理的优点在于，通过使用便宜的标准构件，例如晶体管Sl、S2、S3、二极管D和电容器C，借助于具有A/D转换器的微型控制器已经可执行电感L的测量并且因此可随时轻易地集成到为了其他功能已经包含微型控制器的方案中。由于很少的构件数量，专门的ASIC开发是可能的，然而不是必要的。因此，测量原理的使用极其灵活。
在电感L在70°的转动角度内并且通过具有100pF的存储电容器C从例如1.25μΗ改变至1.0μΗ时，在对应的探测线圈42、44、46中的56mA的电流I引起电容器C的约4.38V或5.0V的电压UM(-60％的转换效率)。电流I的限制可通过串联电阻R实现，其例如具有约50Ω的值。充电过程持续约1μs。因此，测量时间可能非常短。为了分辨出0.1°的角度，须探测出约1mV的电压差。如果A/D转换器的测量范围不限于所要求的约4.0至5.0V的范围，可使用13比特的分辨率。
有利地，测量在电容器处的直流电压相对来说可低噪地实现。可将噪声幅度降到低于1mV。然而，测量信号直接取决于电容器C的电容量，其受到温度变化过程(<30ppm/K)的影响。电容器C的老化和电容量的与电压的关系可通过使用NP0电介质在很大程度上最小化。在测量期间，优选实施为肖特基二极管的二极管D与电容器C并联。二极管D的对应的漏电流明显与温度相关，并且例如在-25℃的情况下可为10-4μΑ并且在125℃的情况下可为100μΑ。在测量电压为5V的情况下，这相应于最小50kΩ的放电阻抗。因此，对应的RC元件的时间常数最小为5μs。优选地，A/D转换器具有>200kS的采样率。通过两次或多次采样可确定指数电压降并且推出初始测量电压。此外，通过二极管漏电流和温度的已知关系可确定温度。该信息可有利地用于进一步的温度校正。
对应的探测线圈42、44、46的磁能转变成电容器C的电能通过定向的电流脉冲来实现，其中，二极管D防止回流。因交变信号出现EMV干扰。交变信号可通过二极管D进行整流。或者可以实现对交变场的旁通，而没有抵消二极管效应。原则上，系统可识别出干扰。因为在解除线圈激励时进行电容器电压的测量，所以感应产生的干扰信号的电压可有利地不同于测量信号UM。

Claims (7)

1.用于无接触地检测旋转构件的转动角度的传感器组件，其中，所述旋转构件与盘状的目标物(20)耦联，该目标物具有至少一个金属面(24)并且与具有至少一个平面式的探测线圈(42、44、46)的线圈组件(40)结合产生用于确定所述旋转构件的当前的转动角度的至少一种信息，其中，至少一个测量电路(3)将对应的平面式的探测线圈(42、44、46)的电感(L)转变成测量信号(UM)，所述电感根据与旋转目标物(20)的至少一个金属面(24)的重叠程度由于涡流效应而改变，评估和控制单元(10)借助测量技术检测该测量信号并且为了算出转动角度进行评估，
其特征在于，所述至少一个测量电路(3)具有多个电子的开关(Sl、S2、S3)，所述评估和控制单元(10)通过对应的操控信号(A1、A2、A2)对该电子的开关进行切换，其中，所述评估和控制单元(10)在激励阶段期间通过第一操控信号(A1)切换的第一开关(Sl)并且通过第二操控信号(A2)切换的第二开关(S2)，其中，所述第一开关(Sl)为待评估的探测线圈(42、44、46)接通工作电压(UB)并且所述第二开关(S2)使待评估的探测线圈与参考电势连接，其中，在测量过程开始时所述评估和控制单元(10)转接第二开关(S2)使待评估的探测线圈42、44、46与参考电势分离。
2.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述至少一个测量电路(3)包括电容器(C)，该电容器与待评估的探测线圈(42、44、46)电气地并联并且在测量过程期间接收通过所述探测线圈(42、44、46)的电感(L)存储的能量。
3.根据权利要求2所述的传感器组件，其特征在于，所述探测线圈(42、44、46)的电感(L)的磁能能够借助于定向的电流脉冲通过二极管(D)传输给电容器(C)，该电容器将传输的能量作为电能存储。
4.根据权利要求3所述的传感器组件，其特征在于，所述电容器(C)在评估过程期间将存储的电能作为测量信号(UM)发送给所述评估和控制单元(10)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的传感器组件，其特征在于，所述测量信号(UM)为电压信号或电流信号。
6.根据权利要求2至4中任一项所述的传感器组件，其特征在于，所述评估和控制单元(10)在评估过程开始时转换所述第一开关(Sl)使至少一个探测线圈(42、44、46)与所述工作电压(UB)分离并且切换第三开关(S3)使所述电容器(C)的联接点与参考电势连接，其中，所述评估和控制单元(10)在所述电容器和对应的探测线圈(42、44、46)的共同的联接点处抓取所述测量信号(UM)。
7.根据权利要求6所述的传感器组件，其特征在于，所述评估和控制单元(10)包括具有A/D转换器的微型控制器，该微型控制器评估测量信号(UM)。
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