CN108602531A - 电感式转向扭矩和角度传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于转向机构的扭矩传感器，具有通过扭杆连接到输出轴的输入轴。第一耦合器连接到输入轴，而第二耦合器连接到输出轴。每个具有多个相反地缠绕的环的第一和第二接收线圈分别邻近第一和第二线圈布置，而电路确定耦合器之间的角度偏差。

Description

电感式转向扭矩和角度传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求申请号为No.62/277,098、名称为“电感式转向扭矩和角度传感器”、申请日为2016年1月11日的美国专利申请，以及申请号为No.62/265,687、名称为“电感式转向扭矩和角度传感器”、申请日为2015年12月10日的美国专利申请的优先权。

技术领域

本发明大体涉及一种用于转向系统的扭矩和角度传感器。

背景技术

在用于机动车辆的类型的转向系统中，转向系统通常包括连接到方向盘的输入轴。然后输入轴通过扭杆连接到输出轴，输出轴又通过连杆机械连接到车轮。因此，方向盘的旋转使机动车辆的车轮通过扭杆，输出轴和转向连杆枢转。

在许多情况下，非常希望确定输入轴和转向机构的输出轴之间的角度偏转。然后，车辆管理系统利用输入轴和输出轴之间的角度偏转程度，即扭杆的角度偏转来检测所施加的方向盘扭矩，然后确定由车辆动力转向所提供的适当的辅助量。例如，如果车辆停止或几乎停止，则车辆的旋转，例如，车辆停放情况通常在输入轴和输出轴之间产生相对高的角度偏转，因此需要增加用于转动车轮的动力系统。此外，这种偏转很少超过20度。

以前，已经结合转向机构使用电感式传感器来确定方向盘扭杆的角度偏转。在这些先前已知的电感式传感器中，第一导电耦合器连接到扭杆的一端，而第二导电耦合器连接到扭杆的另一端。然后将PCB连接到车架并位于两个耦合器之间。

PCB具有两组接收线圈。一组接收线圈与第一耦合器配合，而相反地，第二组接收线圈与第二耦合器一起操作。此外，每个接收线圈包括多个周向相邻的相反地缠绕的线圈，使得当被高频信号激励时，从每个接收器线圈输出的电压将根据其相关联的耦合器的角度位置而变化。

然而，这些先前已知的电感式传感器的一个缺点是同一区域中的两个感应位置传感器彼此干涉，因为它们都经受相同的电磁场。因此，每个角位置传感器的输出变为来自耦合器的两个位置的信号的混合。在那种情况下，难以从接收器线圈的两个输出中提取扭转角。

为了最小化同一区域中的两个电感传感器之间的干扰，先前已知过尝试区分两个接收器线圈的周期。然而，这需要额外的计算资源，因为混合信号必须通过某些算法解耦。除了输入轴和转向机构的输出轴之间的角度偏转之外，在许多情况下，希望知道车轮的角度位置。由于方向盘通常可以完全旋转多圈，因此必须跟踪转数，以便确定方向盘的绝对角度位置，从而确定车轮的绝对角度位置。

发明内容

本发明提供了一种扭矩和角度传感器，它克服了先前已知传感器的上述缺点。

简而言之，在本发明的扭矩传感器中，如前所述，一个导电耦合器连接到扭杆的一端，而第二导电耦合器连接到扭杆的相对端。因此，两个导电耦合器随着方向盘的旋转而旋转。

然后将固定的PCB固定到车架并定位在两个导电耦合器之间。所述PCB包括与第一耦合器相关联的第一接收线圈和与第二耦合器相关联的第二接收线圈。如前所述，每个接收线圈包括多个周向相邻且相反地缠绕的线圈。因此，当被高频RF源激励时，从每个接收线圈输出的电压将根据其相关耦合器的位置而变化。然后，适当的电路可以通过电流确定两个耦合器之间的角度偏差，从而确定施加到方向盘的扭矩，所述电路利用来自两个传感器的两个接收器线圈的两个电压输出作为输入信号。

为了最小化两个接收器线圈之间以及因此两个传感器之间的电干扰，两个接收线圈在PCB上以不同的直径构造，使得与第一耦合器相关联的接收线圈不和与第二耦合器相关联的接收线圈重叠。

因此，第一耦合器在第一半径区域内操作，该第一半径区域包含第一耦合器以及第一接收线圈或传感器。相反，第二耦合器以及第二接收线圈或传感器在第二环形区域中从第一耦合器径向向外定位。

为了进一步将两个传感器彼此电隔离，铁氧体片位于PCB两侧的两个传感器下面。铁氧体片用作磁屏蔽，有效地消除了两个传感器之间的干扰。

本发明还提供一种角度传感器，其提供转向机构的绝对旋转角度。为了实现角度传感器，第一齿轮附接到第一耦合器，使得第一耦合器和第一齿轮彼此一致地旋转。第一齿轮与第二齿轮啮合，第二齿轮相对于PCB可旋转地安装在与方向盘扭杆平行但间隔开的轴线上。耦合器安装在第二齿轮上，并与形成在PCB上的第三电感式传感器的接收线圈配合。霍尔效应传感器或任何其他类型的传感器(例如感应霍尔或(G)MR传感器)可用于确定第二齿轮的角度。

第一齿轮具有多个齿T1，而第二齿轮具有多个齿T2。T2＝K*N，T1＝K*N1其中K是整数。N和N1的最大公约数是1，使得齿轮配对，即第一和第二齿轮仅在N转之后重复。

第一传感器具有PI周期结构，使得其输出在一次旋转中重复PI次。第三传感器具有P2周期结构，使得在耦合器连接到第二齿轮的情况下，输出传感器在一次旋转中重复P2次。

因此，来自第三和第一传感器的输出的差异形成单调函数，使得输出差异可以用作第一转子的粗分辨率角度。然后可以通过第一传感器从粗分辨率角度导出精细分辨率角度。

附图说明

当结合附图理解时，参考以下详细描述将更好地理解本发明，其中相同的附图标记在若干视图中始终表示相同的部分，并且其中：

图1是表示本发明的扭矩传感器的侧视图；

图2是表示扭矩传感器的主视图；

图3是表示第一和第二传感器的接收和励磁线圈的平面图；

图4和图5是分别沿图1中的线4-4和5-5截取的俯视图和仰视图；

图6是类似于图2，但示出了角度传感器；和

图7A-7C是示出角度传感器的操作的所有图表。

具体实施方式

首先参考图1，在图1中，示出了用于机动车辆的转向机构的一部分。转向机构包括输入轴20，输入轴20附接到车辆的方向盘。与该输入轴20同轴的输出轴22。该输出轴22连接到车辆的转向连杆，以提供车轮的实际枢转。

该输入轴20和输出轴22通过扭杆24连接在一起。该扭杆24允许输入轴20和输出轴22之间的有限量的角度偏转，这取决于施加到方向盘的扭矩。通常，输入轴20和输出轴22之间的角度偏转很少超过20度，更常规地在10度或更小的范围内。

现在参考图1和图2，第一电感式传感器25包括第一导电转子或耦合器26，其与扭杆24相邻地连接到输入轴20，使得耦合器26和输入轴20彼此一致地旋转。此外，该耦合器26包括多个周向相邻的波瓣28，其在图2中最佳地示出。

类似地，第二电感式传感器29包括第二导电转子或耦合器30，其与扭杆24邻近地附接到输出轴22，使得第二耦合器30与输出轴22一致地旋转。第二耦合器30也包括多个周向相邻的波瓣32(图2)。此外，第二耦合器30的直径超过第一耦合器26的直径，使得第一耦合器26的波瓣28位于第一区域中，而第二耦合器的波瓣32位于从第一区径向向外隔开的第二区域中。这样，第一耦合器26的波瓣28不叠置在第二耦合器30的波瓣32上。

现在参考图1和图2，附接到车架上的PCB 34位于在两个耦合器26和30之间，使得PCB 34大致平行于两个耦合器26和30。第一传感器接收线圈36设置在PCB34上的第一区域中，使得第一接收线圈36面向第一耦合器26。该接收线圈36包括多个相反地缠绕且周向相邻的环38，它们彼此串联电连接。

类似地，第二传感器接收线圈40也位于PCB 34上，面向第二耦合器30。该第二传感器接收线圈40还包括多个周向相邻的相反地缠绕的环42，它们彼此串联电连接。

该接收线圈36和40分别在PCB 34上的插座端子44和46处可用。这些电端子作为输入信号连接到也安装在PCB 34上的ASIC。

现在特别参考图3，第一励磁或发射器绕组48安装在PCB 34上，使得励磁绕组48围绕第一传感器接收器线圈36。类似地，第二励磁或发射器线圈50也形成在PCB 34上，围绕第二传感器线圈。因此，当励磁线圈48和50用高频源激励时，优选地以不同的频率激励，在传感器接收线圈36和40中感应出电压。端子44和46处的输出信号的实际电压将分别根据相关耦合器26和30相对于其相关接收线圈36和40的位置而变化。

现在参考图4和5，为了最小化两个传感器之间的电干扰，铁氧体片60位于第一传感器线圈36下方的PCB 34及其相关的励磁线圈48和耦合器26上。类似地，在PCB34的另一侧上，第二铁氧体片62设置在第二耦合器30，该第二传感器线圈40及其相关的励磁线圈50的下方。

实际上，铁氧体片60和62将两个传感器彼此磁性隔离，从而消除或至少最小化两个传感器之间的干扰。这反过来不仅提供了更可靠的信号，而且还降低了处理来自两个传感器的信号所需的计算复杂度。

实际上，来自两个传感器线圈40和36的输出信号可以由诸如ASIC的电子电路处理，以确定两个耦合器26和30之间的角度偏转。该角度偏转与应用于方向盘的扭转直接相关。然而，来自两个传感器接收线圈36和40的输出不能提供方向盘的绝对角度旋转位置。

然后参考图6所示，为了确定方向盘的绝对角度旋转位置，具有多个齿T1的第一齿轮70附接到输入轴20，使得齿轮70与输入轴20一致地旋转。此外，与具有T2齿的第二齿轮72啮合。第二齿轮72安装在PCB 34上方并且围绕与输入轴20的旋转轴线平行但径向地间隔开的轴线旋转。

假设T2＝K*N并且T1＝K*N1，其中K是整数。选择齿轮70和72上的齿数，使得N和N1的最大公约数为1，使得齿轮对仅在N转后重复。

导电耦合器74连接到齿轮72并与齿轮72一起旋转。该导电耦合器74与第三传感器75的PCB 34上的第三传感器线圈76配合。第三传感器线圈76，与其他电感式传感器25和29一样，包括周向相邻的环，它们在顺时针和逆时针方向之间彼此交替。励磁线圈78也安装到PCB 34以激励第三接收器线圈76。

该第一传感器，即与耦合器26相关联的传感器，具有PI周期结构。因此，其输出每旋转周期重复PI次。第三传感器75具有P2周期结构，使得其在接收器线圈76的输出在齿轮72的每次旋转期间以及因此在耦合器74的每次旋转中重复P2次。因此，来自第一传感器25和第三传感器75的信号重叠仅在预定的转数之后。来自第一传感器和第三传感器75的输出如图7A所示。

为了找到方向盘的绝对旋转位置，设M＝abs(Nl*P2-N*P1)。这在N/M转动圈内产生单调函数，并且可以在N/M转动内用作第一耦合器26的粗分辨率角。该关系如图7B所示。

此后，可以从粗分辨率角度(图7B)以及来自第一传感器的传感器角度确定精细分辨率M。该关系在图7C汇中示出了方向盘的四次旋转。

在操作中，第一传感器25测量一个360度/P1度段内的角度，并且第三传感器75和第三传感器一起确定第一段所在的段。因此，这允许齿轮之间的大间隙而不混合段号如图7B所示。因此，齿轮间隙不会在转向角传感器中引入误差。

尽管已经描述了角度传感器用于感应扭矩传感器，但是当然应当理解，其他类型的扭矩传感器可以与角度传感器结合使用而不偏离本发明的范围或精神。例如，可以使用移动磁体扭矩传感器，例如由移动磁铁技术SA设计的那些，来代替电感式传感器。在移动磁体传感器中，交替磁体段的带或轭连接到旋转转向柱，而磁性定子连接到扭杆的相对端。这些定子改变定子和磁场之间的磁场，作为角位移的函数，从而改变定子之间的扭矩。然后通过固定霍尔效应传感器检测这些磁变化，其输出连接到诸如ASIC的电路，其计算来自霍尔效应传感器输出的扭矩。轭的交替磁性段可以形成多极角传感器到固定参考，该静止参考可以代替主轴上的多极感应传感器。

参考图7A-7C，图7A是示出对于方向盘的多次旋转，Y轴上的齿轮74(图6)的原始输出角度与X轴上的转向角度的原始输出角度的曲线图。图7B中示出了齿轮74的齿隙作为方向盘通过多次旋转的旋转的函数。图7C是来自传感器的输出作为方向盘旋转的函数的曲线图。

可替代地，可以使用其他类型的传感器。

从前述内容可以看出，本发明提供了一种用于机动车辆的转向机构的新型扭矩和角度传感器。然而，在描述了本发明之后，对其所属领域的技术人员来说，在不背离由所附权利要求的范围所限定的本发明的精神对其的许多修改将变得显而易见。

Claims (6)

1.一种用于车辆的扭矩传感器，包括：

输入轴，

与所述输入轴对齐的输出轴，

扭杆，其将所述输入轴和所述输出轴机械地连接在一起，

第一导电耦合器，其连接到所述输入轴，使得所述第一耦合器与所述输入轴一致地旋转，

第二导电耦合器，其连接到所述输出轴，使得所述第二耦合器与所述输出轴一致地旋转，

第一接收线圈，具有多个相反地缠绕且周向地间隔开的接收环，它们彼此串联连接并附接到框架上，使得所述第一耦合器叠置在所述第一接收线圈上，

第二接收线圈，具有多个相反地缠绕且周向地间隔开的接收环，它们彼此串联连接并附接到框架上，使得所述第二耦合器叠置在所述第二接收线圈上，

至少一个发射器绕组，其以预选频率激励所述接收环，

电路，其接收来自所述第一接收线圈和所述第二接收线圈二者的信号，并产生代表所述输入轴和所述输出轴之间的角度偏差的输出。

2.如权利要求1所述的发明，包括设置在所述接收线圈之间的铁氧体层。

3.如权利要求1所述的发明，其中，所述第一接收线圈和所述第二接收线圈彼此径向地间隔开。

4.如权利要求1所述的发明，其中，所述至少一个发射器绕组包括激励所述第一接收线圈的第一发射器绕组和激励所述第二接收线圈的第二发射器绕组。

5.如权利要求1所述的发明，包括用于确定所述输入轴相对于起始位置的转数的装置。

6.如权利要求1所述的发明，其中，所述输入轴和输出轴相对于所述第一和第二接收线圈旋转。