CN107036634A - 转角传感器 - Google Patents

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Abstract

转角传感器(10)包括具有至少两个线圈(20)的定子元件(12)、相对于定子元件(12)能转动支承的转子元件(14)，实施所述定子元件用于与转角有关地不同程度地与所述至少两个线圈(20)中的每一个感应耦合，并且包括分析处理单元(22)，用于确定所述转子元件(14)和所述定子元件(12)之间的转角。所述至少两个线圈(20)在星形接点(30)中连接在一起，其中，实施所述分析处理元件(22)用于给所述至少两个线圈(20)中的每一个供给多相交流电压的单个交流电压，并且其中，实施所述分析处理元件(22)用于求得所述星形接点(30)的电势的量值和/或相位，并且由此确定所述转角。

Description

转角传感器
技术领域
本发明涉及一种转角传感器，借助该转角传感器能够例如确定轴和另一构件之间的转角。
背景技术
为了测量转角，已知例如转角传感器，在这些转角传感器中，磁铁借助相应的磁场传感器被转动。磁场向量的测量能推断出转角。这种传感器也对外部磁场做出反应，这些外部磁场例如通过电流由相邻布置的电线引起并且可能对干扰非常敏感。
另一类转角传感器利用涡流效应。在此，例如金属目标件借助传感器线圈运动，用交流电压供给该传感器线圈并且在目标件中感应出涡流。这导致传感器线圈的电感减小并且通过频率改变推断出转角。例如线圈是振荡电路的构件，该振荡电路的共振频率在电感改变时被偏移。但是，这类转角传感器能够具有相对于安装公差(首先是目标件的倾斜)的高横向灵敏度。也能够通过外部的电磁场干扰产生的频率(注频锁相:injectionlocking)，因为这通常以几十兆赫兹的频率范围工作。
另外，文献US 7 191 759 B2，US 7 276 897 B2，EP 0 909 955 B1，US 6 236 199B1和EP 0 182 085 B1公开了基于耦合线圈的转角传感器。在这些文献中，在唯一的励磁线圈中建立电磁交变场，该电磁交变场耦合到多个接收线圈中并且在那里分别感应出电压。能转动支承的导电的目标件被用于测量转角，该目标件与其角度位置有关地影响励磁线圈和接收线圈之间的感应耦合。
发明内容
本发明的实施方式能够以有利的方式实现，确定轴和另一构件之间的转角，使得外部干扰和/或构件公差仅对测量具有小的影响。
本发明涉及一种转角传感器，该转角传感器尤其能够应用在具有高电磁干扰场的环境中。例如，能够在发动机室中或在发动机室附近使用该转角传感器，例如用于确定节气门的位置、BLDC电动机(无刷直流电动机)的转子位置、油门踏板的位置或凸轮轴的位置。
根据本发明的实施方式，转角传感器包括具有至少两个线圈的定子元件、相对于定子元件能转动地支承的转子元件，实施该转子元件用于与转角有关地不同程度地与至少两个线圈的每一个感应耦合或者以一个感应元件不同程度地覆盖该至少两个线圈，并且包括分析处理单元用于确定转子元件和定子元件之间的转角。也能够承载分析处理单元(例如IC，即集成电路，或ASIC，专用集成电路)的定子元件能够例如布置在轴的、在其上固定有转子元件的端部的对面。转子元件能够承载目标件或感应元件，该目标件或感应元件随轴一起运动、覆盖线圈并且由此改变线圈的电感。
至少两个线圈在星形接点中被连在一起并且例如通过该星形接点与地线或零线连接。分析处理单元实施成用于给该至少两个线圈中的每一个供给多相交流电压的单个交流电压并且例如通过在该星形接点和地线之间的电流求得星形接点电势的量值和/或相位，并且由此确定转角(这能够例如借助通过测量、求得或检测在测量电阻上下降的电压的量值和/或相位来进行)。线圈中的每一个的接头与该星形接点连接，用交流电压的单个交流电压(相对地线)供给对应的另一接头。交流电压能够例如是兆赫兹数量级的频率，这能够避免注频锁相。在此，多相交流电压的单个交流电压的相位相对彼此偏移。
通过线圈的在转子元件转动时改变的电感总共产生从该星形接点到地线的不同的平衡电流，这些电流与转角有关，因为线圈的电感不再相同。
在该星形接点和地线之间能够例如存在测量电阻，该测量电阻(大大)限制从星形接点到地线的电流。该测量电阻能够例如是用于分析处理所使用的IC的组成部分(即，IC的内部电阻)，但也能够作为离散构件存在。
通过测量这些电流(例如借助在测量电阻上的电压)，分析处理单元能够确定在转子元件和定子元件之间的当前的相对转角。例如，通过星形接点的电流或平衡电流(通常是正弦形式)可以是具有量值和相位的交流电流，其中，该分析处理单元能够由量值和/或相位确定转角。
因为转角传感器以简单的方式借助电感的相对改变来检测转角，那么在线圈上最大程度均匀的电磁场能够仅小程度地影响该测量。以此，转角传感器相对于电磁干扰是耐用的。因为能够取消常常在传感器线圈外部延伸的附加的励磁线圈，那么用于传感器的制造空间是小的。
根据本发明的实施方式，定子元件包括至少三个线圈。分析处理单元实施成用于产生至少三相的交流电压。单个交流电压的相位能够例如分别是呈120度角的相位差。三相电压系统常常存在并且也能够在车辆中以简单的方式产生。
在仅两个线圈的情况下，交流电压的这两个单个交流电压可以是反向的(呈180度角的相位差)。在这种情况下，星形接点单纯是两个线圈的连接点。
根据本发明的实施方式，交流电压的这些单个交流电压在线圈电感的相同情况下相加为零。换言之，在线圈的外部接头上的电压相互抵消(例如在呈120度角的相位差的、相同量值的三个单个交流电压情况下)。在星形接点上，这些单个交流电压在线圈具有相同的电感时相互抵消。如果这些电感通过转子元件的转动而改变，那么平衡电压流入星形接点中，该平衡电流能够借助在该星形接点和地线之间的测量电阻被转化为能简单测量的电压。
根据本发明的实施方式，分析处理单元实施成用于由星形接点电势的量值和/或相位确定在定子元件和转子元件之间的轴向距离。除当前的转角之外，两个组件之间的距离(例如通过对时间的取平均值)也能够被确定，以便这样减少在确定角度时的系统错误。
根据本发明的实施方式，线圈是平面线圈。在此，平面线圈理解为是这样的线圈，它的所有匝或绕组(Wicklung bzw.Windung)基本处于一个平面中。平面线圈能力例如仅具有它的直径的1％的高度。
根据本发明的实施方式，线圈布置在电路板上和/或电路板中。例如匝或绕组能够全部装在电路板的两侧上。在具有多个平面的电路板中，匝或绕组也能够在该电路板内部延伸。电路板也能够承载用于分析处理单元的构件和/或IC。
根据本发明的实施方式，线圈在轴向方向上至少部分地相互覆盖。这些线圈能够在定子元件中基本布置在一个平面中(例如在电路板上或内部)，其中，这些线圈在周向方向上相对彼此偏移。这些线圈中的每个基本能够布置在与轴向方向垂直的平面中。两个线圈在轴向方向上至少部分相互覆盖能够理解为：这两个线圈在轴向方向上观察时至少部分相互覆盖。这也可以理解为：这两个线圈在沿轴向方向投影到一个垂直于轴向方向的平面上时至少部分相互覆盖。
根据本发明的实施方式，这些线圈中的每一个具有至少两个在周向方向上彼此相继的绕组或区段。从轴向视角看(即以在转子元件的转动轴线方向上的观察方向来看)，线圈能够具有多个环。在此，绕组或区段能够包括一个或多个线圈的导线环，这些导线环完全环绕由该线圈所环绕的面积。这些绕组能够在一平面中延伸，该平面基本垂直于转子元件的转动轴线延伸。
根据本发明的实施方式，这些线圈中的每一个具有至少一个第一绕组和至少一个第二绕组，其中，该至少一个第一绕组和该至少一个第二绕组反方向地走向。当以交流电压供给线圈时，则该线圈产生电磁交变场，该电磁交变场在第一绕组中(基本上)在第一方向上走向并且在第二绕组中在相反的第二方向上走向。第一方向和第二方向能够基本平行于转子元件的转动轴线地走向
由线圈产生的交变场在转子元件中感应出电流(与转子元件的位置有关)，这些电流又产生交变场，这些交变场与该线圈或它的绕组相互作用并且因此改变电感。
作用在线圈上的并且基本均匀地通过两个反方向走向的绕组延伸的外部电磁场在该线圈中产生电流，这些电流基本相互抵消(在绕组具有同样大的电感的情况下)。以这种方式能够平衡外部干扰场。
根据本发明的实施方式，线圈的第一绕组和第二绕组在定子元件的周向方向上相互交替地布置。以这种方法，每个线圈产生一个绕组链，这些绕组彼此相继地相互反向地走向。
根据本发明的实施方式，由第一绕组环绕的面积等于由第二绕组环绕的面积。当这些绕组中的每一个具有相同数量的导线环时，则引起：该线圈已经基本抑制均匀的干扰场。在此可能的是：一个或多个线圈具有不同大小的绕组。
根据本发明的实施方式，线圈的绕组环绕不同大小的面积。在一个线圈多个绕组的情况下也可能的是：线圈具有不同大小的绕组，使得虽然线圈相互覆盖，但是绕组却相互错开地布置。
根据本发明的实施方式，线圈的绕组相互错开地布置。由此，转子元件或位于其上的感应元件不同程度地覆盖不同线圈的至少部分相互覆盖的绕组，使得得到相关线圈的不同电感。
根据本发明的实施方式，线圈布置在转子元件的仅一个角度区域中。例如，线圈能够围绕转子元件的转动轴线中心点以α/N(N是线圈数量，α是传感器的感应范围，小于等于360度角)相互错开地布置。也可能的是：这些线圈完全相互覆盖并且仅它们的绕组相互错开地布置。
根据本发明的实施方式，这些线圈中的每一个完全环绕定子元件。所有线圈能够或沿区段圆弧(小于360度角)或满圆弧(等于360度角)围绕定子元件布置。可以理解，在这种情况下，由线圈环绕的面积不是必须覆盖定子元件的轴线或中心。即，线圈能够仅布置在定子元件的边缘区域中。
根据本发明的实施方式，转子元件具有至少一个感应元件或目标件，该感应元件或目标件布置在转子元件的一角度区域中。换言之，转子元件仅部分环绕感应元件。正如这些线圈一样，感应元件能够仅设置在转子元件的边缘区域中。感应元件可以是金属目标件，该目标件在转子元件上能转动地、在轴向方向上与定子元件对置地布置。该感应元件能够由全材料或由电路板上的导体制成。该感应元件也能够通过在以整体材料中的缺口例如铣削槽或作为冲压件被提供。
根据本发明的实施方式，感应元件在轴向方向上基本仅覆盖一个线圈的一个绕组。感应元件和线圈的该绕组能够基本布置在一垂直于轴向方向的平面中。如果感应元件和绕组在轴向方向上至少部分地相互覆盖，则能够理解为：该感应元件和该绕组在轴向方向上观察时至少部分地相互覆盖。这也能够理解为：该感应元件和该绕组在沿轴向方向投影到垂直于轴向方向的平面上时至少部分地相互覆盖。
以这种方式，感应元件仅改变最多一个绕组的电感并且转角传感器获得最大分辨率。也可能的是：转子元件包括多个感应元件，这些感应元件例如以相同的距离在周向方向上围绕转动轴线布置。
附图说明
接下来参照附图描述本发明的实施方式，其中，附图和描述都不作为本本发明的限制。
图1示意性示出根据本发明的实施方式的转角传感器。
图2示意性示出根据本发明的另一实施方式的转角传感器。
图3A,3B和3C示意性示出用于图2中的转角传感器的线圈布置。
图4示出用于图2中的转角传感器的感应元件。
图5示意性示出根据本发明的另一实施方式的转角传感器。
图6A,6B和6C示意性示出用于图5中的转角传感器的线圈布置。
图7示出用于图5中的转角传感器的感应元件。
这些图示仅是示意性并且并非与尺寸一致。相同的参考标记在这些图示中表示相同或相同作用的特征。
具体实施方式
图1示出由定子元件12和转子元件14构成的转角传感器10。转子元件14能够固定在构件的轴16上，例如在节气门、马达、凸轮轴、油门踏板等的轴上，或者由该轴16提供。轴16能够围绕轴线A转动并且定子元件12在相应的轴向方向上与转子元件14対置。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18，在该电路板上布置有多个在该电路板18平面中的线圈20。电路板18可以是多层电路板18并且线圈20的导体能够位于电路板18的两侧并且能够位于电路板18的这些单层之间。用于分析处理单元22的其他构件能够位于电路板18上。分析处理单元22能够给线圈20供给多相交流电流并且也能够通过测量来确定定子元件12和转子元件14之间的相对转角。
转子元件14包括一个或多个感应元件24，这些感应元件在轴向方向上与线圈20対置。感应元件24能够如图1中示出的一样地布置在另一电路板上，该电路板固定在轴16上。也可能的是：感应元件通过加工轴16的端部来产生。
当分析处理单元22给线圈20供给交流电压时，该交流电压产生磁场，该磁场又在由导电材料制成的感应元件24中感应出涡流。这些涡流又产生磁场，这些磁场与线圈20交互作用并且改变线圈20的电感。基于这些改变的电感，分析处理单元22能够确定转角。
接下来描述具有三个线圈20的转角传感器10，给这些线圈供给三相交流电压。这可以一般性地概括只有两个或三个以上单个交流电压的交流电压。
图2中示出具有第一线圈20a、第二线圈20b和第三线圈20c的转角传感器10。这三个线圈20a，20b，20c仅覆盖围绕轴线A小于360度(这里例如是120度)的一个角度范围。为了更清楚，这些线圈中的每一个不覆盖全部的角度范围。
这三个线圈在第一接头26上与分析处理单元22连接并且在那里由该分析处理单元22给这三个线圈供给三相交流电压V1,V2,V3。另外的接头28在星形接点30中相互连接，该星形接点通过测量电阻Rm与地线或零线32连接，该地线或该零线也能够由分析处理单元22提供。测量电阻Rm上的电压Vm能够由分析处理单元22测量或确定或检测。
交流电压的单个交流电压V1,V2,V3能够具有相同的频率和相同的幅值并且再次分别呈120度的相位差。当第一线圈20a，第二线圈20b和第三线圈20c具有相同的电感时，三个呈120度相位差的电压贴靠在星形接点30上，这些电压相互抵消，并且在这种情况下在星形接点30和零线32之间不发生电流。
因为用三个呈120度相位差的交流电压供给第一线圈20a、第二线圈20b和第三线圈20c，在没有感应元件24时也没有电流经过星形接点30流入零线32中，因为这些线圈具有相同的电感。通过在转子元件14上的能导电的、在轴向方向上与这三个线圈20a，20b，20c对置的感应元件24，这些线圈的电感根据转角改变并且引起星形接点30的电势的偏移并且在零线32中发生星形接点30之间的平衡电流。分析处理单元20能够确定平衡电流的量值和/或相位(借助测量在电阻Rm上下降的电压)，并且由此求得转子元件14到定子元件12的距离并且求得转子元件14和定子元件12之间的相应转角。
图2进一步示出：这三个线圈20a，20b，20c被实施为具有多个处于一个平面中的绕组34的平面线圈。这三个线圈20a，20b，20c在周向方向上相互错开地布置在定子元件12上。
图3A，3B和3C示意性示出用于这三个线圈20a，20b，20c的可能的线圈布置。图3A中的线圈20a包括各一个第一绕组34a和一个第二绕组34b。两个绕组34a，34b大小相同或环绕相同的面积。这两个绕组沿周向方向相互错开。
图3B和3C中的线圈20b和20c各包括两个第一绕组34a和一个第二绕组34b。第二绕组34b在周向方向上布置在所述第一绕组34a之间。这两个第一绕组34a大小不同和/或分别小于第二绕组34b。这两个第一绕组34a所环绕的面积之和相当于第二绕组34a所环绕的面积。
在图3A，3B和3C中示出的线圈20a，20b，20c能够这样安装在转角传感器中，使得这些线圈完全相互覆盖。在此，对线圈20a，20b，20c中的每一个供给单个交流电压V1,V2,V3，如在图2中示出的一样。以这种方式，线圈20b，20c的环绕不同大小的面积的绕组34a，34b相对于线圈20a的绕组34a，34b而错开，使得一个线圈20a，20b，20c的绕组34a，34b分别总是与另一线圈的绕组34a，34b仅部分地相互覆盖。以这种方式可以实现用于由这三个线圈20a，20b，20c覆盖的角度范围的最大角度分辨率。
线圈20a，20b，20c中的每一个包括方向相反的绕组，这些绕组能够被划分为具有第一走向的第一绕组34a和具有方向相反的第二走向的绕组34b。每个线圈的绕组34a，34b在周向方向上围绕轴线A彼此相继地布置，使得产生具有变化走向的绕组链。
第一绕组34a和第二绕组34b分别环绕相同的面积，使得通过线圈20a，20b，20c中的每一个的均匀(干扰)磁场在各个的绕组34a，34b中产生电流，其中，一个线圈20a，20b，20c中的各个电流相互抵消。
图4示出感应元件24并且由于直观性原因仅示出一个线圈，即第一线圈20a。但是，下面的实施方式也能够适用于第二线圈20b和第三线圈20c。如图4示出，感应元件24几乎与绕组一样大，即从轴向角度观察或在沿轴向方向的投影中覆盖沿周向几乎相同的面积。这些绕组34a，34b中的每一个产生一个磁场，该磁场又在感应元件24中产生涡流，这些涡流又产生磁场，这些磁场在各自的绕组中产生电流并且这样改变各自绕组34a，34b的电感并且因此改变线圈20a，20b，20c的总电感。因此，线圈20a，20b，20c的电感根据具有感应元件的转子元件14的角度位置而改变。因为不同线圈20a，20b，20c的绕组34a，34b相互错开地布置，感应元件24则附加地不同程度地改变每个线圈20a，20b，20c的电感，使得产生转角传感器10的好的角度分辨率。
图5至7示出类似图2至4中的图示。当不做其它说明时，这些实施方式相应地适用于图2至4。
在图5至7中示出转角传感器10，该转角传感器的第一线圈20a、第二线圈20b和第三线圈20c完全包围传感器元件12。线圈20a，20b，20c相同地构造。如在图2中一样，这些线圈20a，20b，20c相互错开地布置在转子元件12上。线圈20a，20b，20c的6个绕组34a，34b全部分别环绕相同面积，以便抵消外部干扰场。绕组的数量不限于6个，但应是偶数个，以便抵消干扰场。从绕组的数量和张开角度得到传感器的周期性。
图7示出转子元件14的实施方式并且由于直观性原因示出定子元件12的仅第一线圈20a的实施方式。图7示出：在转子元件14上也能够布置有三个感应元件24。通过这三个呈120度角相互错开的感应元件24，能够在120度角的单一区域中得到公差的更好抵消，这些感应元件分别大致覆盖一个绕组34a，34b。
最后指出：术语如“具有”，“包括”等不排除其他元件，并且术语如“一个”不排除多个的情况。在权利要求中的参考标记不视为对本发明的限制。

Claims (10)

1.转角传感器(10)，包括：
具有至少两个线圈(20)的定子元件(12)；
相对于所述定子元件(12)能转动地支承的转子元件(14)，所述转子元件(14)实施成用于与转角相关地不同程度地与所述至少两个线圈(20)的每一个感应耦合；和
分析处理单元(22)，用于确定所述转子元件(14)和所述定子元件(12)之间的转角，其特征为：
所述至少两个线圈(20)在星形接点(30)中连在一起；
所述分析处理单元(22)实施成用于给所述至少两个线圈(20)中的每一个供给多相交流电压的一个单个交流电压；并且
所述分析处理单元(22)实施成用于求得所述星形接点(30)的电势的量值和/或相位并且由此确定所述转角。
2.根据权利要求1所述的转角传感器(10)，
其中，所述定子元件(12)包括至少三个线圈(20a，20b，20c)，并且所述分析处理单元(22)实施成用于产生至少三相的交流电压。
3.根据权利要求1或2所述的转角传感器(10)，
其中，所述交流电压的单个交流电压(V1，V2，V3)在所述线圈(20)的电感相同的情况下彼此相加为零。
4.根据前述权利要求中任一项所述的转角传感器(10)，
其中，所述分析处理单元(22)实施成用于从所述星形接点电势(30)的量值和/或相位确定所述定子元件(12)和所述转子元件(14)之间的轴向距离以及所述转角。
5.根据前述权利要求中任一项所述的转角传感器(10)，
其中，所述线圈(20)是平面线圈；和/或
其中，所述线圈(20)布置在电路板(18)上和/或电路板(18)中。
6.根据前述权利要求中任一项所述的转角传感器(10)，
其中，所述线圈(20)在轴向方向上至少部分地相互覆盖；和/或
其中，所述线圈(20)中的每一个具有至少两个在周向方向上彼此相继的绕组(34)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的转角传感器(10)，
其中，所述线圈(20)中的每一个具有至少一个第一绕组(34a)和至少一个第二绕组(34b)，其中，所述至少一个第一绕组(34a)和所述至少一个第二绕组(34b)相互反向地走向；和/或
其中，线圈(20)的第一绕组(34a)和第二绕组(34b)在所述定子元件(12)的周向方向上交替地彼此相继地布置；和/或
其中，由所述第一绕组(34a)环绕的面积等于由所述第二绕组(34b)环绕的面积。
8.根据前述权利要求中任一项所述的转角传感器(10)，
其中，线圈(20)的绕组(34a，34b)环绕不同大小的面积；和/或
其中，所述线圈(20)的绕组(34a，34b)相互错开地布置。
9.根据前述权利要求中任一项所述的转角传感器(10)，
其中，所述线圈(20)布置在所述定子元件(12)的仅一个角度区域中；或
其中，所述线圈(20)中的每一个完全环绕所述定子元件(14)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的转角传感器(10)，
其中，所述转子元件(14)具有至少一个感应元件(24)，所述感应元件布置在所述转子元件的一个角度区域中；和/或
其中，所述感应元件(24)在轴向方向上仅覆盖线圈(20)的一个绕组(34a，34b)。
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