CN106871937A - 旋转角度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及旋转角度传感器，其包括：具有线圈的定子元件；相对于定子元件绕转动轴线能转动支承的转子元件，转子元件实施为与线圈以感应方式不同强烈地耦合；分析处理单元，确定转子元件和定子元件之间的旋转角度。线圈包括两个关于转动轴线反向延伸的部分线圈，部分线圈通过中点串联并且部分线圈布置在定子元件上，使得部分线圈根据转子元件的旋转角度分别不同强烈地与转子元件以感应方式耦合。分析处理单元实施为以两个移相的交流电压供应两个部分线圈。分析处理单元包括两个放大器，其实施为借助放大信号调节各交流电压的振幅大小。分析处理单元实施为测量中点的中间电势，通过改变放大信号将中间电势调节为零并由放大信号确定旋转角度。
Description
技术领域
本发明涉及旋转角度传感器，通过所述旋转角度传感器例如可以确定一轴和另外的构件之间的旋转角度。
背景技术
为了测量旋转角度，例如已知旋转角度传感器，其中，使磁体转动通过相应的磁场传感器。对磁场矢量的测量则允许推导出旋转角度。这种传感器也对外部磁场作出反应，所述外部磁场例如可以通过相邻布置的电流缆线的电流引起并且是对电流非常敏感的。
另一种旋转角度传感器利用涡电流效应。在此，例如通过传感器线圈使金属目标运动，所述传感器线圈被供以交流电压并且在该目标中感应涡电流。这导致传感器线圈的感应系数降低并且允许通过频率改变推导出旋转角度。例如，线圈为震荡回路的组成部分，所述震荡回路的谐振频率在感应系数改变时移动。然而，这种旋转角度传感器可以相对于安装公差(主要是目标的倾斜)具有高的横向灵敏性。通过外部电磁场产生的频率也会被干扰(锁相，Injection Locking)，因为通常以数十MHz范围内的频率工作。
由文献US 7 191 759 B2，US 7 276 897 B2，EP 0 909 955 Bl，US 6 236 199 Bl和EP 0 182 085 B还已知基耦合的线圈的旋转角度传感器。在这些文献中，在激励线圈中建立交变电磁场，所述交变电磁场耦合到多个接收线圈中并且在那里分别感应一电压。为了测量旋转角度，使用能够转动地支承的、能导电的目标，所述目标根据其角度位置影响激励线圈和接收线圈之间的电感耦合。
发明内容
本发明实施方式可以有利的方式实现，以这样的方式确定轴和另外的构件之间的旋转角度，从而外部和/或构件公差的干扰仅对测量影响得小。
本发明的一个方面涉及旋转角度传感器，所述旋转角度传感器尤其可以在具有高的电磁干扰场的周围环境中使用。旋转角度传感器例如可以在车辆的发动机室中或者发动机室附近使用，例如用于确定节流阀位置、BLDC-发动机的转子位置、驾驶踏板位置或者凸轮轴位置。
根据本发明的实施方式，旋转角度传感器包括：具有线圈的定子元件；相对于定子元件绕转动轴线能够转动地支承的转子元件，所述转子元件实施为用于与所述线圈以感应方式不同强烈程度地耦合；分析处理单元，其用于确定转子元件和定子元件之间的旋转角度。定子元件可以例如相对于轴的端部布置，所述定子元件也可以承载分析处理单元(例如积分电路(IC)或者使用者专用的积分电路(ASIC))，转子元件固定在所述端部上。转子元件可以承载一目标或者说电感元件，所述电感元件与轴携动、部分地覆盖线圈并由此改变线圈的部分线圈的电感系数。
线圈包括两个关于转动轴线反向延伸的部分线圈，所述部分线圈通过中点串联并且所述部分线圈这样布置在定子元件上，使得所述部分线圈根据转子元件的旋转角度分别不同强烈程度地与转子元件以感应方式耦合。在上下文中，反向延伸可以意味着，如果线圈进而两个部分线圈被加载电压的话，在沿转动轴线方向看时一个部分线圈中的电流向左转(即逆时针)而另一个部分线圈向右转(即顺时针)。但也可能的是，两个部分线圈具有相同数量的左转和右转的导体圈，但所述导体圈针对部分线圈镜像对称布置。例如，在不同的旋转角度情况下，转子上的能导电的电感元件可以不同强烈程度地覆盖两个部分线圈。例如，随着旋转角度增大，可以一个部分线圈的电感系数升高而另一个部分线圈的电感系数降低。
此外，分析处理单元实施为用于，以两个(例如以180°)相互移相的交流电压供应两个部分线圈。以这种方式在部分线圈之间的中点上形成中间电势，所述中间电势与部分线圈的感应系数有关。
分析处理单元包括两个放大器，所述放大器实施为用于，借助于放大信号调节各交流电压的振幅大小。分析处理单元此外实施为用于测量中点处的中间电势，通过改变放大信号将中间电势调节为0(零)和由放大信号确定旋转角度。两个部分线圈可以理解为感应的分压器，所述分压器的中间电势通过闭环调节路段(Closed-Loop-Regelstrecke)来平衡或者说调节为零。中间电势例如可以高欧姆电阻地被截取并且由分析处理单元测量。由中间电势可以求取放大信号，通过所述放大信号将中间电势调节回0。同时，放大信号作为用于旋转角度的程度来使用，所述旋转角度与放大信号有关并且也可以由所述放大信号求取。
交流电压例如可以具有0.5V至3V范围内的振幅大小并且也可以在所述范围内调节，所述交流电压可以具有1MHz和50MH之间的频率。
例如，一个交流电压可以在第一部分线圈的接头上并且具有180°相移的第二交流电压可以在第二部分线圈的接头上被分别(与放大信号有关地)施加以放大因子。通过各另一个接头可以使两个部分电压在中点上连接。
通过两个反向延伸的部分线圈，外部磁场(例如由于布置在传感器附近的缆线内部的高的电流引起)的影响是小的，因为多个均匀的场平均了(ausmitteln)。根据感应系数与旋转角度的非线性相关性不是关键的，因为闭环调节装置(Closed-Loop-Regelung)提供放大信号，由所述放大信号可以确定旋转角度。旋转角度传感器仅需要较小的安装空间，因为该旋转角度传感器具有单一线圈就够，并且例如不需要激励线圈。通过简单的测量原理，仅需要少的电子部件用于分析处理单元。总体上可以成本有利地实现旋转角度传感器。
根据本发明的实施方式，根据放大信号，交流电压的振幅大小在一个部分线圈上提高而在另一个部分线圈上减小。振幅大小可以与放大信号线性相关。因为随着运动的电感元件可以一个部分线圈的电感系数提高而另一个部分线圈的电感系数减小，可以相应地减小或提高对应的振幅大小。
根据本发明的实施方式，分析处理单元实施为用于确定中间电势的振幅，放大信号基于所述振幅。放大信号例如可以与中间电势的振幅线性相关。
根据本发明的实施方式，分析处理单元实施为用于，对中间电势的振幅进行积分和由中间电势的经积分的振幅确定放大信号。积分持续时间可以例如在1ms和100ms之间。以这种方式，可以补偿中间电势中的小波动。
根据本发明的实施方式，线圈为平坦的线圈。在此应理解，线圈可以具有导体，所述导体可以由多个导体圈(Leiterschleifen)构成。导体圈可以为导体的一个区段，所述区段分别几乎完全环绕一被线圈环绕的面一次。平坦的线圈在此理解为这样的线圈，所述线圈的导体圈全部基本上处于一个平面内。平坦的线圈可以例如仅具有其直径的高度的1％。
线圈可以环绕多个面。一个部分线圈可以为线圈的导体的一个区段，所述区段环绕这些面中的一个面。部分线圈也是可以平坦的线圈和/或由一个或者多个导体圈构成。
根据本发明的实施方式，线圈布置在电路板中和/或电路板上面。例如，线圈的导体圈可以都安装在电路板两侧上。在电路板具有多个平面的情况下，导体圈也可以在所述电路板内部延伸。然而，线圈也可以实现在没有导孔(Vias)的层中。电路板也可以承载构件和/或IC即积分电路，或者ASIC，即用户专用的积分电路，用于分析处理单元。
根据本发明的实施方式，部分线圈相互镜像地构成。两个部分线圈也可以具有布置在绕转动轴线的圆形线上的导体或者说导体圈。
根据本发明的实施方式，线圈仅覆盖一绕转动轴线的环形面或者完全覆盖一包围转动轴线的面。两个部分线圈可以绕转动轴线弯曲或者在转动轴线处或者说转动轴线附近接触。
根据本发明的实施方式，部分线圈如环形段那样成形。两个部分线圈可以绕转动轴线C形弯曲。电感元件也可以C形或如环形段那样构成。
根据本发明的实施方式，部分线圈如扇形那样成形。例如，部分线圈也可以如半圆那样成形。
根据本发明的实施方式，线圈完全环绕转动轴线或者线圈仅环绕转动轴线一角度范围β。线圈可以或者沿扇形弧(β<360°)或者沿整个圆弧(β＝360°)绕定子元件布置。应理解，在这种情况下，被线圈环绕的面不必覆盖转动轴线或定子元件的中心。即，线圈可以仅在定子元件的边缘区域中或一绕转动轴线的环形面中布置。
根据本发明的实施方式，转子元件具有至少一个布置在转子元件的角度范围α中的电感元件或者说目标。换句话说，电感元件仅部分地环绕转子元件。正如线圈那样，电感元件可以仅设置在转子元件的边缘区域中或者说环形面上。电感元件可以为金属目标，所述目标在转子元件上能够转动地在轴向方向上与定子元件相对置地布置。电感元件可以由实心材料或者由电路板上的导体制成。电感元件也可以通过在实心材料中留空例如铣切或者作为冲制件提供。
根据本发明的实施方式，电感元件覆盖角度范围α，所述角度范围如线圈的角度范围β一半大。由此，电感元件也基本上刚好覆盖一个部分线圈。以这种方式，在不被分析处理单元后调节的状态下，中间电势与0(零)的偏离可以被优化，即例如最大化。
本发明的另一个方面涉及用于通过旋转角度传感器确定旋转角度的方法，如前述和下述。所述方法例如可以由分析处理单元进行。
根据本发明的实施方式，所述方法包括以下步骤：以两个相互移相的交流电压供应两个部分线圈；借助于放大信号调节各交流电压的振幅大小；测量中点处的中间电势，通过所述中点串联两个部分线圈；通过改变放大信号将中间电势调节为零；和由放大信号确定旋转角度。
附图说明
以下参考附图描述本发明的实施方式，其中，附图和说明均不作为对本发明的限制。
图1示意性示出根据本发明的实施方式的旋转角度传感器。
图2示意性示出用于图1中的旋转角度传感器的电路连接图。
图3A，3B和3C示出具有电压的曲线图，所述电压在图1和2中的旋转角度传感器中产生。
图4示出用于图1和2中的旋转角度传感器的线圈设计。
图5示出示出用于图1和2中的旋转角度传感器的另一线圈设计。
图6示出示出用于图1和2中的旋转角度传感器的另一线圈设计。
附图仅为示意性的而非根据尺寸比例。附图中相同的参考标记代表相同或功能相同的特征。
具体实施方式
图1示出包括定子元件12和转子元件14的旋转角度传感器10。转子元件14可以固定在构件例如节流阀、马达、凸轮轴、驾驶踏板等的轴16上或者由所述轴16提供。
轴16绕轴线A能够转动，并且定子元件12在相应的轴向方向上与转子元件14相对置。例如定子元件12固定在构件的壳体上。
定子元件12包括电路板(Leiterplatte)18，在所述电路板上，线圈20布置在电路板18的平面中。电路板18可以是多层的电路板18，并且线圈20的导体可以处于电路板18的两侧上和处于电路板18的各层之间。用于分析处理单元22的另外的构件可以处于电路板18上。分析处理单元22可以交流电供应线圈20并且通过测量来确定定子元件12和转子元件14之间的相对旋转角度。
转子元件14包括电感元件24，所述电感元件在轴向方向上与线圈20相对置。电感元件24可以如图1示出布置在另外的电路板26上，所述电路板固定在轴16上。也可能的是，电感元件通过加工轴16的端部产生。
图2示出图1中的旋转角度传感器10的电路图。线圈20包括两个部分线圈28a，28b，即第一部分线圈28a和第二部分线圈28b，所述第一部分线圈和第二部分线圈串联。电感元件24在此仅示例性地表述为短路的线圈。如果对部分线圈28a，28b加载交流电压，则所述部分线圈分别产生磁场，所述磁场在电感元件24中产生涡电流，所述涡电流的磁场又在部分线圈28a，28b中感应电流，并且由此改变部分线圈的电感系数，与电感元件24的位置有关。
分析处理单元22包括一个电压源30和两个放大器32a，32b，所述电压源产生(正弦形的)交流电压Vin，所述放大器将所述交流电压分别放大至具有第一振幅大小的第一交流电压V1和具有第二振幅大小的第二交流电压V2。放大器32b也使第二交流电压V2的相位相对于第一交流电压V1移相180°。交流电压V1与交流电压源30中的交流电压Vin同相位。交流电压V2与交流电压Vin反相位，即移相180°。
电压V1和V2被分别供给线圈20的一端部或者说部分线圈28a，28b的端部。两个部分线圈28a，28b在其端部上在中点34上相互连接，在所述中点上基于感应系数形成中间电势(Mittelpotential)Vout，所述中间电势可以不同于0(零)。如果部分线圈28a，28b的感应系数相同，则交流电压V1和V2在中点上以相同振幅34抵消并且中间电势为0(零)。如果感应系数不同，则对于中间电势产生相对于零而言或多或少强烈的偏离。
在正弦形交流电压V1和V2的情况下，中间电势Vout为没有偏移量的正弦形信号，所述信号的振幅和相位与部分线圈28a，28b的两个感应系数有关。分析处理单元还包括解调器36，所述解调器将中间电势Vout相位正确地解调(例如在使用输入信号及交流电压Vin作为参考的情况下)进而产生振幅信号，所述振幅信号与中间电势相对于输入电压Vin的相移和/或振幅大小有关。
振幅信号由分析处理单元22的积分仪38积分成调节信号或放大信号40。
放大信号40供给两个放大器32a，32b，所述放大器将交流电压V1，V2的振幅大小由此反向地(gegenlaeufig)匹配。如果放大信号40变大，则放大器32a放大交流电压V1。如果放大信号40变小，放大器32b放大交流电压V2。
这样，根据Vout的振幅和相位而定，匹配放大器32a，32b的放大因子并将Vout调节为0(零)。根据电感元件24的位置而定，通过部分线圈28a，28b的电磁场在能导电的电感元件24中感应涡电流。这从被电感元件24较强烈覆盖的部分线圈28a，28b提取更多能量。为了中间电势进一步为零，必需提高较强烈地覆盖的部分线圈的放大并减少较少覆盖的部分线圈的放大，这通过分析处理单元22的调节装置36，38，32a，32b进行。
为此必需的放大信号40可以相应于测量信号并且代表电感元件24的位置，进而代表旋转角度，分析处理单元22可以由放大信号40求取所述旋转角度。
图3A至3C示出所述调节装置的例子。在图3A中，部分线圈28a，28b具有相同的电感系数。在交流电压V1和V2振幅大小相同而反相位的情况下，中间电势Vout为0(零)。
如果电感元件24改变其位置并且两个交流电压的振幅大小不改变，则中间电势Vout不为零，如图3B中示出。
通过调节装置这样改变交流电压V1和V2的振幅大小，使得中间电势Vout(几乎)又为0，如图3C中示出。在此，V1的振幅比V2的振幅大，V1相对于V2的相位差为180°。
图4示出轴向上看线圈20的可能设计。线圈20为没有导孔(即穿通触点)的、平坦的线圈。两个部分线圈28a，28b镜像对称并且在一绕轴线A的环形面上环绕轴线A，从而基本上整个环形面被线圈20或者说两个部分线圈28a，28b覆盖。两个部分线圈28a，28b构造为环形段，其中，部分线圈28a，28b之间的中点34构造有导体作为中间抽头42，所述中间抽头属于两个部分线圈28a，28b和/或所述中间抽头在部分线圈28a，28b的对称轴线上延伸。
此外，图4示出电感元件24，所述电感元件如环形段那样成形，并且以180°包围轴线A。线圈20基本上在整个360°上包围轴线A。
通过箭头表明在第一线圈28a和第二线圈28b中沿相反方向流动的电流。
图5示出用于线圈20的另外的设计，其中，线圈20也覆盖轴线A。两个部分线圈28为半圆形，其中，中间抽头42延伸经过该圆的整个直径，所述圆由部分线圈28a，28b构成。
图6示出线圈设计，其中，线圈20仅在角度范围β内绕轴线A布置。可以在所述角度范围β内仅求取一个旋转角度。对于优化的面积利用，电感元件24的角度范围α应为如线圈20的角度范围β的一半大。以这种方式，电感元件24在一端部位置中仅覆盖一个部分线圈28a，28b而不覆盖另一个部分线圈28a，28b。
最后指出，术语如“具有”，“包括”等不排除其他的元件或布置，并且术语如“一”或“一个”不排除多个。权利要求中的参考标记不是限制性的。
Claims (11)
1.旋转角度传感器(10)，其包括：
具有线圈(20)的定子元件(12)；
相对于定子元件(12)绕转动轴线(A)能够转动地支承的转子元件(14)，所述转子元件实施为用于与所述线圈(20)以感应方式不同强烈程度地耦合；
分析处理单元(22)，其用于确定转子元件(14)和定子元件(12)之间的旋转角度；
其特征在于，
线圈(20)包括两个关于转动轴线(A)反向延伸的部分线圈(28a，28b)，所述部分线圈通过中点(34)串联并且所述部分线圈这样布置在定子元件(12)上，使得所述部分线圈根据转子元件(14)的旋转角度分别不同强烈程度地与转子元件(14)以感应方式耦合；
所述分析处理单元(22)实施为用于以两个相互移相的交流电压(V1，V2)供应两个部分线圈(28a，28b)；
所述分析处理单元(22)包括两个放大器(32a，32b)，所述放大器实施为用于借助于放大信号(40)调节各交流电压(V1，V2)的振幅大小；
其中，所述分析处理单元(22)实施为用于测量中点(34)处的中间电势(Vout)；通过放大信号(40)的改变将所述中间电势(Vout)调节为零，并且由所述放大信号(40)确定旋转角度。
2.根据权利要求1所述的旋转角度传感器(10)，
其中，根据放大信号(40)在一个部分线圈(28a)上提高而在另一个部分线圈(28b)上减小交流电压(V1，V2)的振幅大小。
3.根据权利要求1或者2所述的旋转角度传感器(10)，
其中，所述分析处理单元(22)实施为用于，确定中间电势(Vout)的振幅，并且放大信号(40)基于中间电势(Vout)的振幅。
4.根据权利要求3所述的旋转角度传感器(10)，
其中，所述分析处理单元(22)实施为用于将中间电势(Vout)的振幅积分并且提供放大信号(40)，所述放大信号基于中间电势(Vout)的经积分的振幅。
5.根据前述权利要求之一所述的旋转角度传感器(10)，其中，所述线圈(20)为平坦的线圈；和/或其中，线圈(20)布置在电路板(18)上面和/或电路板中。
6.根据前述权利要求之一所述的旋转角度传感器(10)，其中，所述部分线圈(28a，28b)构造为相互成镜像。
7.根据前述权利要求之一所述的旋转角度传感器(10)，其中，所述线圈(20)仅覆盖绕转动轴线(A)的环形面；或者
其中，所述线圈(20)完全覆盖一包围转动轴线(A)的面。
8.根据前述权利要求之一所述的旋转角度传感器(10)，其中，所述部分线圈(28a，28b)如环形段那样成形；或者其中，部分线圈(28a，28b)如扇形那样成形。
9.根据前述权利要求之一所述的旋转角度传感器(10)，其中，所述线圈(20)完全环绕转动轴线(A)；或者其中，所述线圈(20)仅在一角度范围(β)内环绕转动轴线(A)。
10.根据前述权利要求之一所述的旋转角度传感器(10)，
其中，转子元件(14)具有至少一个电感元件(24)，所述电感元件布置在转子元件(14)的角度范围(α)内；和/或
其中，电感元件(24)覆盖一角度范围(a)，所述角度范围如线圈(20)的角度范围(β)的一半大。
11.用于通过根据前述权利要求之一所述的旋转角度传感器(10)确定旋转角度的方法，所述方法包括以下步骤：
-以两个相互相移的交流电压(V1，V2)供应两个部分线圈(28a，28b)；
-借助于放大信号(40)调节各交流电压(V1，V2)的振幅大小；
-测量中点(34)处的中间电势(Vout)，两个部分线圈(28a，28b)通过所述中点串联；
-通过改变放大信号(40)将中间电势(Vout)调节为零；和
-由放大信号(40)确定旋转角度。
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Application publication date: 20170620 |
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