CN107340002B - 一种小惯量有限角度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于传感器技术领域，公开了一种小惯量有限角度传感器，包括：转子和定子；转子的中部设置轴孔，转子的侧壁上对称设置有第一外圆弧段和第二外圆弧段，第一外圆弧段上设置有粗机励磁绕组，第二外圆弧段上设置有精机励磁绕组；定子上对称设置有第一内圆弧段和第二内圆弧段，第一内圆弧段位于第一外圆弧段的外围，第二内圆弧段位于第二外圆弧段的外围，第一内圆弧段上设置有粗机线性输出绕组；第二内圆弧段上设置有精机正弦输出绕组和精机余弦输出绕组；其中，第一外圆弧段与第二外圆弧段之间设置有两个相互平行的弦切面。本发明的小惯量有限角度传感器采用粗精双通道组合编码，具有较高的测量精度，减小了转子的转动惯量，反应灵活。

Description

一种小惯量有限角度传感器
技术领域
本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种小惯量有限角度传感器。
背景技术
目前，角度传感器的种类繁多，安装在旋转轴上，可以测量轴的旋转角度，但现有的角度传感器转动惯量较大，在测量高速往复运动系统的旋转角度时，普遍存在反应不够灵活和测量精度较差的问题。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供一种小惯量有限角度传感器，其转动惯量较小，反应灵活，且具有较高的测量精度。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。
一种小惯量有限角度传感器，包括：转子和定子；所述转子的中部设置轴孔，所述转子的侧壁上对称设置有第一外圆弧段和第二外圆弧段，所述第一外圆弧段上设置有粗机励磁绕组，所述第二外圆弧段上设置有精机励磁绕组；所述定子上对称设置有第一内圆弧段和第二内圆弧段，所述第一内圆弧段位于所述第一外圆弧段的外围，所述第二内圆弧段位于所述第二外圆弧段的外围，所述第一内圆弧段上设置有粗机线性输出绕组；所述第二内圆弧段上设置有精机正弦输出绕组和精机余弦输出绕组；其中，所述第一外圆弧段与所述第二外圆弧段之间设置有两个相互平行的弦切面。
根据本发明的小惯量有限角度传感器，通过转子中部的轴孔，可将转子固定连接在待测旋转轴上，转子随待测旋转轴一起旋转，定子固定在相应壳体上，定子可输出与转子转角成一倍或极对数倍的输出电压的模拟信号，转子侧壁上第一外圆弧段上的粗机励磁绕组与对应设置在定子第一内圆弧段上的粗机线性输出绕组组成粗通道，其输出信号以往复运动角度范围为一个周期，转化为传感器读数的整数部分，转子侧壁上第二外圆弧段上的精机励磁绕组与对应设置在定子第二内圆弧段上的精机正弦输出绕组和精机余弦输出绕组组成精通道，其输出信号以360°/P为一个周期，P为精通道极对数，转化为传感器读数的小数部分，通过双通道组合编码的方式，可提高传感器测量精度，在第一外圆弧段和第二外圆弧段之间设置有两个相互平行的弦切面，将转子弦切面外侧的圆周部分去除，可以减小转子的体积和质量，进而可减小转子的转动惯量，提高传感器的反应灵活度。本发明的小惯量有限角度传感器，采用粗精双通道组合编码的方式，具有较高的测量精度，通过减小转子的体积和质量，减小了转子的转动惯量，提高了反应灵活性。
作为优选的，所述第一外圆弧段的两侧边沿和所述第二外圆弧段的两侧边沿之间分别设置有两个切口，两个所述切口分别以所述第一外圆弧段和所述第二外圆弧段的中心线为界对称分布。
根据本发明的小惯量有限角度传感器，由于在第一外圆弧段两侧沿其中心线对称设置有两个切口，在第二外圆弧段两侧沿其中心线也对称设置有两个切口，可进一步减小转子的体积和质量，减小转子的转动惯量，提高传感器的反应灵活度。
作为优选的，所述定子包括弧形的第一定子片和第二定子片，所述第一内圆弧段位于所述第一定子片上，所述第二内圆弧段位于所述第二定子片上。
根据本发明的小惯量有限角度传感器，定子为包含两个分离的第一定子片和第二定子片的圆弧形结构，第一定子片和第二定子片也可联接成一体的整圆周结构，为定子的固定安装提供了多种方式，便于操作，并且粗通道设置在第一定子片，精通道设置在第二定子片，避免二者互相干扰。
作为优选的，所述第一内圆弧段上和所述第二内圆弧段上分别等距对称设置有多个内绕线齿，每两个内绕线齿之间形成内齿槽，所述粗机线性输出绕组和所述精机正弦输出绕组以及所述精机余弦输出绕组设置在对应的所述内齿槽中；所述第一外圆弧段上和所述第二外圆弧段上分别等距对称设置有多个外绕线齿，每两个外绕线齿之间形成外齿槽，所述粗机励磁绕组和所述精机励磁绕组设置在对应的外齿槽中。
作为优选的，所述粗机励磁绕组为集中绕组，所述精机励磁绕组中每两个相邻的线圈的缠绕方向相反；所述粗机线性输出绕组上设置有零位，所述粗机线性输出绕组中的各个线圈的匝数以所述零位为中心向两侧递增，且所述零位的两侧的线圈的缠绕方向相反；所述精机正弦输出绕组中的各个线圈的匝数和方向按照正弦函数曲线规律分布，所述精机余弦输出绕组中的各个线圈的匝数和方向按照余弦函数曲线规律分布。
根据本发明的小惯量有限角度传感器，粗机励磁绕组可放置在转子两个相邻的外齿槽中，成为集中绕组，粗机线性输出绕组可放置在定子第一内圆弧段，粗机线性输出绕组匝数可以转子回转中心为界对称线性分布，一侧线圈正向线性递增，另一侧为负向线性递增，均可逐槽绕制，在转子有限回转角度内，粗机输出电压幅值与转子转角呈线性变化，且在转子回转中心为零，转子往复运动时，粗机输出电压幅值过零点且与转子转角呈线性变化，可提供绝对位置，精机励磁绕组逐槽反向串接，精机正弦输出绕组和精机余弦输出绕组匝数和方向按极对数进行正余弦函数调制，可使输出电压幅值与极对数倍的转子转角呈正余弦关系。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1是本发明的一种小惯量有限角度传感器的一个实施例的结构示意图；
图2是图1中实施例的粗机绕组布置示意图；
图3是图1中实施例的精机绕组布置示意图；
图4是图2中粗机线性输出绕组输出电压波形图；
图5是图3中精机正弦输出绕组和精机余弦输出绕组输出电压波形图。
在图1至图3中：1转子；101轴孔；102第一外圆弧段；103第二外圆弧段；104粗机励磁绕组；105精机励磁绕组；106弦切面；107切口；108外绕线齿；109外齿槽；2定子；201第一内圆弧段；202第二内圆弧段；203粗机线性输出绕组；204精机正弦输出绕组；205精机余弦输出绕组；206第一定子片；207第二定子片；208内绕线齿；209内齿槽。
具体实施方式
参考图1至图3，本发明的实施例提出一种小惯量有限角度传感器，包括：转子1和定子2；转子1的中部设置轴孔101，转子1的侧壁上对称设置有第一外圆弧段102和第二外圆弧段103，第一外圆弧段102上设置有粗机励磁绕组104，第二外圆弧段103上设置有精机励磁绕组105；定子2上对称设置有第一内圆弧段201和第二内圆弧段202，第一内圆弧段201位于第一外圆弧段102的外围，第二内圆弧段202位于第二外圆弧段103的外围，第一内圆弧段201上设置有粗机线性输出绕组203；第二内圆弧段202上设置有精机正弦输出绕组204和精机余弦输出绕组205；其中，第一外圆弧段102与第二外圆弧段103之间设置有两个相互平行的弦切面106。
在以上实施例中，通过转子1中部的轴孔101，可将转子1固定连接在待测旋转轴上，转子1随待测旋转轴一起旋转，定子2固定在相应壳体上，定子2可输出与转子1转角成一倍或极对数倍的电压模拟信号，转子1侧壁上第一外圆弧段102上的粗机励磁绕组104与对应设置在定子2第一内圆弧段201上的粗机线性输出绕组203组成粗通道，其输出信号以往复运动角度范围为一个周期，转化为传感器读数的整数部分，转子1侧壁上第二外圆弧段103上的精机励磁绕组105与对应设置在定子2第二内圆弧段202上的精机正弦输出绕组204和精机余弦输出绕组205组成精通道，其输出信号以360°/P为一个周期，P为精通道极对数，转化为传感器读数的小数部分，通过双通道组合编码的方式，可提高传感器测量精度，在第一外圆弧段102和第二外圆弧段103之间设置有两个相互平行的弦切面106，将转子1弦切面106外侧的圆周部分去除，可以减小转子1的体积和质量，进而可减小转子1的转动惯量，提高传感器的反应灵活度。本发明的小惯量有限角度传感器，采用粗精双通道组合编码的方式，具有较高的测量精度，通过减小转子1的体积和质量，减小了转子1的转动惯量，提高了反应灵活性。
参考图1，根据本发明的一个实施例，第一外圆弧段102的两侧边沿和第二外圆弧段103的两侧边沿之间分别设置有两个切口107，两个切口107分别以第一外圆弧段102和第二外圆弧段103的中心线为界对称分布。
在以上实施例中，由于在第一外圆弧段102两侧沿其中心线对称设置有两个切口107，在第二外圆弧段103两侧沿其中心线也对称设置有两个切口107，可进一步减小转子1的体积和质量，减小转子1的转动惯量，提高传感器的反应灵活度。
参考图1，根据本发明的一个实施例，定子2包括弧形的第一定子片206和第二定子片207，第一内圆弧段201位于第一定子片206上，第二内圆弧段202位于第二定子片207上。
在以上实施例中，定子2为包含两个分离的第一定子片206和第二定子片207的圆弧形结构，第一定子片206和第二定子片207也可联接成一体的整圆周结构，为定子2的固定安装提供了多种方式，便于操作，并且粗通道设置在第一定子片206，精通道设置在第二定子片207，避免二者互相干扰。
参考图1至图3，根据本发明的一个实施例，第一内圆弧段201上和第二内圆弧段202上分别等距对称设置有多个内绕线齿208，每两个内绕线齿208之间形成内齿槽209，粗机线性输出绕组203和精机正弦输出绕组204以及精机余弦输出绕组205设置在对应的内齿槽209中；第一外圆弧段102上和第二外圆弧段103上分别等距对称设置有多个外绕线齿108，每两个外绕线齿108之间形成外齿槽109，粗机励磁绕组104和精机励磁绕组105设置在对应的外齿槽109中。
参考图2至图5，根据本发明的一个实施例，粗机励磁绕组104为集中绕组，精机励磁绕组105中每两个相邻的线圈的缠绕方向相反；粗机线性输出绕组203上设置有零位，粗机线性输出绕组203中的各个线圈的匝数以零位为中心向两侧递增，且零位的两侧的线圈的缠绕方向相反；精机正弦输出绕组204中的各个线圈的匝数和方向按照正弦函数曲线规律分布，精机余弦输出绕组205中的各个线圈的匝数和方向按照余弦函数曲线规律分布。
在以上实施例中，粗机励磁绕组104放置在转子1两个相邻的外齿槽109中，成为集中绕组，粗机线性输出绕组203放置在定子2第一内圆弧段201，粗机线性输出绕组203匝数以转子1回转中心为界对称线性分布，一侧线圈正向线性递增，另一侧为负向线性递增，均可逐槽绕制。当粗机励磁绕组104施加正弦波励磁电压U1时，在粗机励磁绕组104内存在励磁电流，产生励磁磁通，当转子第一外圆弧段102转到定子第一内圆弧段201左侧第一个内绕线齿208时，粗机线性输出绕组203缠绕在该内绕线齿208上的输出线圈感应电压，转子第一外圆弧段102转到定子第一内圆弧段201左侧第二个内绕线齿208时，粗机线性输出绕组203缠绕在该内绕线齿208上的输出线圈感应电压，依次类推。因为粗机线性输出绕组203缠绕在定子第一内圆弧段201每个内绕线齿208上的匝数以转子1回转中心为界对称线性分布，一侧线圈正向线性递增，另一侧为负向线性递增，所以在转子1有限回转角度(-am，+am)内，粗机输出电压幅值U2与转子1转角呈线性变化，且在转子1回转中心为零，由于转子1往复运动时，粗机输出电压幅值U2过零点且与转子1转角呈线性变化，因此可提供绝对位置。精机励磁绕组105逐槽反向串接，精机正弦输出绕组204和精机余弦输出绕组205匝数和方向按极对数进行正余弦函数调制，当精机励磁绕组105施加正弦波励磁电压U1时，在转子1有限回转角度(-am，+am)内，精机正弦输出电压幅值Us与极对数倍的转子1转角呈正弦关系，精机余弦输出电压幅值Uc与极对数倍的转子1转角呈余弦关系。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种小惯量有限角度传感器，可用于测量转轴的转角，其特征在于，包括：
转子(1)，所述转子(1)的中部设置轴孔(101)，所述转子(1)的侧壁上对称设置有第一外圆弧段(102)和第二外圆弧段(103)，所述第一外圆弧段(102)上设置有粗机励磁绕组(104)，所述第二外圆弧段(103)上设置有精机励磁绕组(105)；
定子(2)，所述定子(2)上对称设置有第一内圆弧段(201)和第二内圆弧段(202)，所述第一内圆弧段(201)位于所述第一外圆弧段(102)的外围，所述第二内圆弧段(202)位于所述第二外圆弧段(103)的外围，所述第一内圆弧段(201)上设置有粗机线性输出绕组(203)；所述第二内圆弧段(202)上设置有精机正弦输出绕组(204)和精机余弦输出绕组(205)；
所述第一内圆弧段(201)上和所述第二内圆弧段(202)上分别等距对称设置有多个内绕线齿(208)，每两个内绕线齿(208)之间形成内齿槽(209)，所述粗机线性输出绕组(203)和所述精机正弦输出绕组(204)以及所述精机余弦输出绕组(205)设置在对应的所述内齿槽(209)中；所述第一外圆弧段(102)上和所述第二外圆弧段(103)上分别等距对称设置有多个外绕线齿(108)，每两个外绕线齿(108)之间形成外齿槽(109)，所述粗机励磁绕组(104)和所述精机励磁绕组(105)设置在对应的外齿槽(109)中；
其中，所述第一外圆弧段(102)与所述第二外圆弧段(103)之间设置有两个相互平行的弦切面(106)。
2.根据权利要求1所述的小惯量有限角度传感器，其特征在于，所述第一外圆弧段(102)的两侧边沿和所述第二外圆弧段(103)的两侧边沿之间分别设置有两个切口(107)，两个所述切口(107)分别以所述第一外圆弧段(102)和所述第二外圆弧段(103)的中心线为界对称分布。
3.根据权利要求2所述的小惯量有限角度传感器，其特征在于，所述定子(2)包括弧形的第一定子片(206)和第二定子片(207)，所述第一内圆弧段(201)位于所述第一定子片(206)上，所述第二内圆弧段(202)位于所述第二定子片(207)上。
4.根据权利要求1所述的小惯量有限角度传感器，其特征在于，所述粗机励磁绕组(104)为集中绕组，所述精机励磁绕组(105)中每两个相邻的线圈的缠绕方向相反；所述粗机线性输出绕组(203)上设置有零位，所述粗机线性输出绕组(203)中的各个线圈的匝数以所述零位为中心向两侧递增，且所述零位的两侧的线圈的缠绕方向相反；所述精机正弦输出绕组(204)中的各个线圈的匝数和方向按照正弦函数曲线规律分布，所述精机余弦输出绕组(205)中的各个线圈的匝数和方向按照余弦函数曲线规律分布。
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