CN110546465A - 用于确定旋转构件的角度的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定旋转构件的角度的装置，所述装置包括磁致伸缩式的传感器结构(4)，其与发送元件(17)且与接收元件(18、19)耦合，并且固定在运动构件上的磁体(5、10、11)沿着磁致伸缩式的传感器结构运动，其中，发送元件和接收元件(17；18、19)与评估电子器件(14)连接，以便由发送元件(17)和饱和区(6)之间的以及从饱和区(6)返回接收元件(18、19)的运行时间来确定运动构件的位置，其中，发送的信号在由磁体(5)在磁致伸缩式的传感器结构(4)中引起的饱和区(6、8)上反射。在可无误差地确定旋转构件的角度的装置中，磁致伸缩式的传感器结构(4)包括两个彼此间隔开的传感器环路(15、16；20、21)，并且每个传感器环路(15、16；20、21)匹配旋转构件的运动方向的形式，其中，设置用于同时将每一个脉冲耦入到两个传感器环路(15、16；20、21)中的共同的发送元件(17)，在发送元件的周围定位分别用于每个传感器环路(15、16；20、21)的接收元件(18、19)，接收元件用于接收由相应的传感器环路(15、16；20、21)的饱和区(6、8)反射的脉冲，其中，接收元件(18、19)与评估电子器件(14)连接，以便由两个传感器环路(15、16；20、21)中的两个运行时间的关系来确定角位置。

Description

用于确定旋转构件的角度的装置
技术领域
本发明涉及一种用于确定旋转构件的角度的装置，所述装置包括磁致伸缩式的传感器结构，磁致伸缩式的传感器结构与发送元件和接收元件耦合，并且固定在运动构件上的磁体沿着磁致伸缩式的传感器结构运动，其中，发送元件和接收元件与评估电子器件连接，以便由发送元件和饱和区之间的以及从饱和区返回接收元件的运行时间来确定运动构件的位置，其中，发送的信号在由磁体在磁致伸缩式的传感器结构中引起的饱和区上反射。
背景技术
已知角转子位置测量大多通过磁测量方法来进行。DE 102013 213 948A1公开了用于确定电动机的位置的方法，其中电动机的转子的位置信号通过在电动机的旋转轴线之外布置在电动机的定子上的传感器接收，该位置信号通过评估单元评估电动机的位置。
DE 10 2013 222 366 A1示出了用于确定电动机的位置的方法，其中以高安全水平检测转子位置。在此，根据在传感机构和评估单元之间的传递距离，在传递距离较短的情况下借助SPI协议信号和/或在传递距离较长的情况下借助PWM信号将位置信号传递给评估单元。磁测量方法在磁体成本和易出现误差方面不可简单地集成到特定的、用于测量旋转构件的角度的系统中。在此，角位置测量的精确性与磁体相对传感器的运动方面的动态误差紧密相关。
已知Littelfuse或MTS公司的传感器，其能够借助运行时间测量直线路径。在这种情况下，在直线延伸的磁致伸缩式的传感器元件中测量脉冲的运行时间，其中，在磁致伸缩式的传感器元件上布置脉冲发送器和接收器。使用磁体，该磁体仅在磁致伸缩式的传感器元件中形成饱和区。由于制造误差和温度系数引起的磁化误差、不均匀性、流量变化可近似忽略。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供用于确定旋转构件的角度的装置，其利用了借助磁致伸缩式的传感器元件的线性运行时间测量的优点。
根据本发明，该技术问题通过以下方式实现，磁致伸缩式的传感器元件包括两个彼此间隔开布置的传感器环路，并且每个传感器环路匹配构件的运动方向的形式，其中，设置用于同时将每一个脉冲耦入两个传感器环路中的共同的发送元件，在发送元件的周围定位分别用于每个传感器环路的接收元件，接收元件用于接收由相应的传感器环路的饱和区反射的脉冲，其中，接收元件与评估电子器件连接，以便由在两个传感器环路中的两个运行时间的关系来确定角位置。这具有以下优点，即，通过两个传感器环路的弯曲布置，在两个传感器环路中可分别进行脉冲测量以及运行时间测量，其中，分别通过相应的磁致伸缩式的传感器环路的饱和区来反射脉冲。完全地取消了磁通量的测量或磁矢量的方向的测量，这是因为仅探测饱和区。由此该运行时间测量也可应用在旋转式的移动中。该装置始终对抗干扰磁场并且实现了相对于误差和环境影响可容许的角测量。
有利地，磁体与磁致伸缩式的传感器结构的间距确定饱和区的宽度。在间距较大的情况下，在磁致伸缩式的传感器环路中的流通密度减小，由此饱和区构造得更窄，而在磁体与传感器结构的间距减少时，饱和区变宽。通过该宽度可调节脉冲的运行时间，因为在饱和区较宽时运行时间缩短。
在一种设计方案中，磁体相对于磁致伸缩式的传感器结构倾斜地定位。由此可在脉冲中调节非对称的饱和区。
在一种改进方案中，固定在旋转构件上的磁体形成为磁环或由两个相对的磁体块构成。因为仅需要产生两个相反地相对置的饱和区，使用简单的磁体块在成本方面特别有利。相对地，使用磁环产生连续的磁场变化。
有利地，传感器结构构造在产生脉冲且包括评估电子器件的电子结构元件中。由此可产生特别简单且小的装置。
可替代地，传感器结构构造在电路板中，产生脉冲且包括评估电子器件的电子结构元件定位在电路板上。由此电子构件和电子构件的载体元件虽然是单独的构件，但是因为载体元件本身始终存在于该装置中，所以省去了用于承载传感器结构的额外机构，这减小了该装置。
在一种变型方案中，内侧的传感器环路和外侧的传感器环路分别包括两个弯曲的传感器元件。借助两个弯曲的传感器元件可进行冗余的测量，因为在内侧的传感器环路和外侧的传感器环路中均可监控运行时间。通过使用两个近似圆形的饱和环路，消除了在磁致伸缩式的传感器结构中的死区。
在一种设计方案中，两个传感器环路的弯曲的传感器元件构造成半圆形，其中，传感器环路的半圆形的传感器元件类似圆形地布置。借助这种装置可轻松实现360°传感器，从而可以检测旋转构件的完整的旋转周数。
在一种变型方案中，内侧的传感器环路和外侧的传感器环路的端部对彼此错开90°地布置。借助这种布置方式，可根据饱和区的构造，通过使用两个传感器环路产生冗余的信号。这尤其在磁体如此布置的情况下实现，即使得在外侧的传感器环路的端部对和内侧的传感器环路的端部对之间形成饱和区。
在一种变型方案中，饱和区构造在内侧的传感器环路或外侧的传感器环路的端部对的两个接收元件之间。如果是这种情况，可仅使用两个传感器环路中的其中一个来测量运行时间。但是，不活动的另一部分还可以用于检查功能，但是不可用于精确地确定位置。
在一种实施方式中，每个传感器环路具有仅一个弯曲的元件，弯曲的元件延伸大于180°，其中，内侧的传感器环路的端部对通过外侧的传感器环路覆盖。在这种布置方式中，在内侧的传感器环路和外侧的传感器环路的重叠始终大于饱和区的前提条件下，内侧的传感器环路和外侧的传感器环路用于在两个方向上测量。
为了可以相应地延长脉冲的运行时间，且因此提高旋转构件的位置测量的精确性，传感器环路的弯曲的元件构造成曲折形。
附图说明
本发明包括多种实施方式。根据在图纸中的附图详细阐述其中几个。
其中示出：
图1示出了测量运行时间的工作原理，
图2示出了测量运行时间的另一工作原理，
图3示出了用于在磁致伸缩式的传感器结构中产生饱和区的实施例，
图4示出了用于在磁致伸缩式的传感器结构中产生饱和区的另一实施例，
图5示出了用于在磁致伸缩式的传感器结构中产生饱和区的另一实施例，
图6示出了用于使用磁体块的实施例，
图7示出了用于布置磁致伸缩式的结构的实施例，
图8示出了用于布置磁致伸缩式的结构的另一实施例，
图9示出了用于360°传感器的磁致伸缩式的传感器结构的实施例，
图10示出了用于360°传感器的磁致伸缩式的传感器结构的另一实施例，
图11示出了用于360°传感器的磁致伸缩式的传感器结构的另一实施例，
图12示出了磁致伸缩式的传感器环路的实施例。
具体实施方式
在图1中示出了在磁致伸缩式的位移检测器中测量运行时间的工作原理的第一实施例，该磁致伸缩式的位移检测器测量旋转构件的角度。磁致伸缩式的位移检测器1用于测量两个点2、3之间的距离，在这两个点之间布置构造成磁致伸缩式的传感器结构4的波导，永磁体5沿着波导运动。在点2、3处分别将电流脉冲耦入磁致伸缩式的传感器结构4中。该电流产生环形磁场，磁场基于磁致伸缩式的传感器结构4的软磁特性而在其中成束。在待测量的位移位置处安装可运动的永磁体5作为位置传送器，其磁场线垂直于脉冲磁场地伸延并且同样在磁致伸缩式的传感器结构4中成束。在磁致伸缩式的传感器结构4的两个磁场叠加的区域中，由磁致伸缩产生相应于饱和区6的弹性变形。在该饱和区6上反射分别输入到点2、3中的脉冲。在点2、3处再次接收反射的脉冲并且确定其运行时间。由两个运行时间的关系得出固定在转动构件上的永磁体5的位置。
图2示出了运行时间测量的另一工作原理，其中采用多个用于脉冲耦入和脉冲测量的点2、3、7。每个点2、3、7在此相应于预设的角度，因此例如点7相应于0°的角度，点3相应于180°的角度，并且点2相应于360°的角度。在每个点2、3、7上耦入沿磁致伸缩式的传感器结构4的相反方向的脉冲，且通过分别在传感器结构4中在点2、3或3、7之间产生的饱和区6、8反射。由于为输入以及同时接收点1、2和7分别对应固定的角位置，从而可由不同的运行时间测量冗余地得出永磁体5的位置。
在图3中示出了用于产生磁致伸缩式的传感器结构4的饱和区的实施例。在此，磁致伸缩式的传感器结构4固定在电路板9上。与传感器结构相对置地，永磁体5相对旋转轴线12对中地布置，其中，左侧示出了南极S，且右侧示出了北极N。以已经提及的方式形成饱和区6、8，其中，饱和区6、8理解为这样的磁化，即磁化值没有因外部磁场的提高而被超过。
在永磁体5相对于磁致伸缩式的传感器结构4对中布置的情况下，在反射的脉冲的信号中产生相同宽度的饱和区6、8。饱和区6、8的宽度可由于永磁体5相对于磁致伸缩式的传感器结构4的间距变化而发生改变，如在图4中所示。图4a示出了在永磁体5和磁致伸缩式的传感器结构4之间的较大间距，由此两个脉冲具有较小的饱和间距。若如在图4b中所示，永磁体5移近磁致伸缩式的传感器结构4，则饱和区6、8由于在磁致伸缩式的传感器结构4中的较高流通密度而扩宽。
此外，通过将永磁体5相对于磁致伸缩式的传感器结构4倾斜，也可以调整饱和区6、8的不同宽度，如在图5中所示。在此，永磁体5的倾斜使得饱和区6、8的宽度不对称。
在前述示例中已经提及，永磁体5是磁环，磁环固定在旋转构件上，需要探测旋转构件的位置。但是，例如通过磁环产生的连续的磁场变化对于角度测量的应用不一定是必要的。由此，代替磁环地，也可以相对磁致伸缩式的传感器结构4布置两个磁体块10、11，两个磁体块在其定位方面相反地被极化并且具有相对于旋转轴线12的相同的间距。借助这两个磁体块10、11仅产生两个用于脉冲测量的饱和区6、8，饱和区在两个磁体块10、11相对布置时产生。
在图7中示出了用于布置磁致伸缩式的传感器结构4的实施例。在此，传感器结构4简化地示为环件且具有以预定的间距隔开的点1、2、7，这些点用于耦入两个沿相反方向运行的脉冲且用于接收反射的脉冲。这种传感器结构4构造在芯片13中，其中，芯片13的中心通过用于产生脉冲和进行评估的电子结构单元14形成。在此，传感器结构4包围电子结构单元14。这种芯片13固定在电路板9上。由于预定的点2、3、7如前所述地对应固定的角度，所以例如在0°和360°时耦入脉冲并且接收反射的脉冲，其中，通过永磁体5引起的饱和区6、8处在传感器结构4的0°和180°之间或180°和360°之间。通过在芯片13中布置传感器结构4实现了通用地构造的芯片，芯片可匹配不同的应用。
在替代的实施例中，如图8所示，承载用于产生脉冲且评估脉冲的电子结构单元14的芯片13定位在电路板9上，而传感器结构4构造在电路板9之内且与芯片13连接。
在图9中示出了360°传感器的磁致伸缩式的传感器结构4的实施例。对于这种传感器，传感器结构由两个传感器环路15、16构成，其中，每个传感器环路15、16包括两个半圆的传感器元件15.1、15.2或16.1、16.2。内侧的传感器环路16的两个传感器元件16.1、16.2近似圆形地布置。同理适用于外侧的传感器环路15的两个传感器元件15.1、15.2，其包围内侧的传感器环路16。在该结构中，通过未进一步示出的永磁体5产生两个饱和区6、8，饱和区包含两个传感器环路15、16。由此，传感器环路15、16的两个传感器元件15.1、15.2；16.1、16.2的相对置的端部15.3、15.4；16.3、16.4始终形成端部对，端部对配备有发送元件17。在此，传感器元件15.1、15.2；16.1、16.2的每个端部15.3、15.4；16.3、16.4配备有用于接收反射的脉冲的、单独的接收器18、19。在这种情况下，通过发送元件在端部对15.3、15.4；16.3、16.4中分别以相反方向耦入两个脉冲，脉冲通过在相应的传感器元件15.1、15.2；16.1、16.2中产生的饱和区6、8反射回来。在使用两个传感器环路15、16测量位置时，得到冗余的系统。
在图10中示出了用于360°传感器的另一实施例。在此，图10a再次示出了已经结合图9阐述的冗余系统，其中，饱和区6、8位于传感器元件15.1、15.2；16.1、16.2的端部15.3、15.4；16.3、16.4外。但是在如图10b所示的情况下，饱和区6、8布置在例如表征用于内侧的传感器环路16的发送元件17的高度上，则发送元件17的脉冲没有被反射，因为每个脉冲立即被接收器18、19感知。因此，内侧的传感器环路16不可用于测量。只能借助外侧的传感器环路15确定旋转构件的位置。
为了避免死区，在图11中示出了传感器结构4的另一实施例。在此，外侧的传感器环路20以及内侧的传感器环路21仅具有弯曲的传感器元件，但是其中每个传感器元件大于180°地重叠。在此，外侧的传感器环路20以及内侧的传感器环路21的指向相反方向的端部20.1；21.1分别通过仅一个发送单元17输入。相对置的饱和区6、8一个仅包含内侧的传感器环路21(饱和区8)且一个仅包含外侧的传感器环路20(饱和区6)，如在图11a所示。在该布置方式中，外侧的传感器环路20以及内侧的传感器环路21可在两个方向上测量，由此可靠地确定位置。在图11b中示出的结构中，各个饱和区6、8一个紧邻地构造在内侧的传感器环路21的接收器18之后且一个紧邻地构造在外侧的传感器环路20的接收器19之后，其中，饱和区6、8覆盖外侧的传感器环路20以及内侧的传感器环路21。这具有以下效果，外侧的传感器环路20以及内侧的传感器环路21仅可在一个方向上测量，因为通过相应的饱和区6、8封闭发送单元17。在此，仅在外侧的传感器环路20的一端部以及内侧的传感器环路21的相反端部上通过发送单元17耦入。借助这种传感器结构测量的前提条件是，两个传感器环路20、21始终大于饱和区6、8地构造。
在图12中示出了用于磁致伸缩式的传感器结构22、23的第二实施例，其用于延长脉冲运行路径。因为运行时间一般在纳米秒范围中运动，大多难以相应地评估这种短的时间。在延长运行路径的情况下改进了评估。这通过将传感器环路22构造成曲折结构实现，曲折结构使得传感器环路22能够连续延长。在图12b中示出了曲折的传感器环路23，借助曲折的传感器环路可产生离散的脉冲。通过延长运行时间使得时间测量的误差较少地作用到信号错误上。
借助提及的实现方案使得能够测量旋转构件的角度，在角度测量中通过改变两个饱和区宽度可以无需考虑磁场强度的、在磁体和传感器结构之间的间距的、磁环的抖动的和温度变化的误差。
附图标记列表
1 磁致伸缩式的位移检测器
2 耦入点和测量点
3 耦入点和测量点
4 磁致伸缩式的传感器结构
5 永磁体
6 饱和区
7 耦入点和测量点
8 饱和区
9 电路板
10 磁体块
11 磁体块
12 旋转轴线
13 芯片
14 电子结构单元
15 传感器环路
15.1 传感器元件
15.2 传感器元件
15.3 传感器元件的端部
15.4 传感器元件的端部
16 传感器环路
16.1 传感器元件
16.2 传感器元件
16.3 传感器元件的端部
16.4 传感器元件的端部
17 发送单元
18 接收器
19 接收器
20 传感器环路
21 传感器环路
22 磁致伸缩式的传感器结构
23 磁致伸缩式的传感器结构

Claims (10)

1.用于确定旋转构件的角度的装置，所述装置包括磁致伸缩式的传感器结构(4)，所述磁致伸缩式的传感器结构与发送元件(17)且与接收元件(18、19)耦合，并且固定在运动构件上的磁体(5、10、11)沿着所述磁致伸缩式的传感器结构运动，其中，所述发送元件和所述接收元件(17；18、19)与评估电子器件(14)连接，以便由所述发送元件(17)和饱和区(6)之间的以及从所述饱和区(6)返回所述接收元件(18、19)的运行时间来确定所述运动构件的位置，其中，发送的信号在由所述磁体(5)在所述磁致伸缩式的传感器结构(4)中引起的饱和区(6、8)上反射，其特征在于，所述磁致伸缩式的传感器结构(4)包括两个彼此间隔开布置的传感器环路(15、16；20、21)，并且每个传感器环路(15、16；20、21)匹配所述旋转构件的运动方向的形式，其中，设置用于同时将每一个脉冲耦入到所述两个传感器环路(15、16；20、21)中的共同的发送元件(17)，在所述发送元件的周围定位分别用于每个传感器环路(15、16；20、21)的接收元件(18、19)，所述接收元件用于接收由相应的传感器环路(15、16；20、21)的饱和区(6、8)反射的脉冲，其中，所述接收元件(18、19)与所述评估电子器件(14)连接，以便由所述两个传感器环路(15、16；20、21)中的两个运行时间的关系来确定角位置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁体(5；10、11)与所述磁致伸缩式的传感器结构(4)的间距确定所述饱和区(6、8)的宽度。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述磁体(5；10、11)相对于所述磁致伸缩式的传感器结构(4)倾斜地定位。
4.根据权利要求1、2或3中至少一项所述的装置，其特征在于，固定在所述旋转构件上的磁体(5)形成为磁环或由两个相对置的磁体块(10、11)构成。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，所述传感器结构(4)布置在电子结构元件(13)中，所述电子结构元件产生所述脉冲且包括所述评估电子器件(14)。
6.根据权利要求1至5中至少一项所述的装置，其特征在于，所述传感器结构(4)构造在电路板(9)中，产生所述脉冲且包括所述评估电子器件(14)的电子结构元件(13)定位在所述电路板上。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，内侧的传感器环路(16)和外侧的传感器环路(15)分别包括两个弯曲的传感器元件(16.1、16.2；15.1、15.2)。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述两个传感器环路(15、16)的弯曲的传感器元件(16.1、16.2；15.1、15.2)构造成半圆形，其中，传感器环路(15、16)的半圆形的传感器元件(16.1、16.2；15.1、15.2)彼此类似圆形地布置。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述内侧的传感器环路和所述外侧的传感器环路(15、16)的半圆形的传感器元件(16.1、16.2；15.1、15.2)的端部对彼此错开90°地布置。
10.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，所述传感器环路(22、23)的弯曲的传感器元件构造成曲折形。
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