CN111193357B - 一种感应式绝对角度传感器 - Google Patents

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    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type

Abstract

本发明是一种感应式绝对角度传感器，涉及角度位置测量领域。该传感器主要由定子部分和转子部分组成；定子部分包括定子壳体、定子线圈板和解算板；定子线圈板包含激励信号发射线圈、粗通道信号接收线圈和精通道信号接收线圈；转子部分包括转子壳体、转子线圈板；转子线圈板包含激励信号接收线圈、粗通道信号发射线圈和精通道信号发射线圈；传感器通过激励信号发射线圈与激励信号接收线圈之间的谐振耦合传输激励信号，并根据粗、精通道信号发射线圈与粗、精通道信号接收线圈之间耦合的不同磁通量来实现绝对位置的测量。本发明传感器采用谐振技术传输激励信号，体积更小。传感器的粗精通道可以重叠，在相同外径时可实现更大的安装孔径。

Description

一种感应式绝对角度传感器
技术领域
本发明涉及角度位置测量领域，具体涉及到一种感应式绝对角度传感器。
背景技术
角度传感器主要用于检测机械运动中的角度、位置，将角位移转换成电信号，目前常用的角度传感器有光电编码器、旋转变压器、磁编码器、感应同步器等。其中基于感应式原理的旋转变压器及感应同步器由于既具有测量精度高、抗干扰能力强的特点，又能适应强冲击振动、湿热、盐雾等恶劣环境，因此广泛应用于军事领域及恶劣工矿领域。但由于传统旋转变压器采用绕线与磁芯结构、感应同步器采用金属基板，并且两种传感器激励信号的传输都需要环形变压器，因此两种传感器都存在体积大、重量大的缺陷，难以满足用户对轻量化、小型化的要求。
发明内容
本发明所要解决的问题是针对传统感应式角度传感器的不足，提出一种设计合理、通过谐振耦合传输激励信号的感应式绝对角度传感器。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种感应式角度传感器，其特点是：该传感器主要由定子部分和转子部分组成；
定子部分包括定子壳体、定子线圈板、解算板；定子线圈板包含激励信号发射线圈、粗通道信号接收线圈和精通道信号接收线圈；
转子部分包括转子壳体、转子线圈板；转子线圈板包含激励信号接收线圈、粗通道信号发射线圈和精通道信号发射线圈；
传感器通过激励信号发射线圈与激励信号接收线圈之间的谐振耦合传输激励信号，并根据粗、精通道信号发射线圈与粗、精通道信号接收线圈之间耦合的不同磁通量来实现绝对位置的测量。
本发明所述的感应式绝对角度传感器，其进一步优选的技术方案是：传感器的定子线圈板和转子线圈板都是基于PCB设计，其中定子线圈板包括一组激励信号发射线圈、两组n周期的粗通道信号接收线圈、两组m周期的精通道信号接收线圈、定子谐振电容；传感器的转子线圈板包括一组激励信号接收线圈、一组n周期的粗通道信号发射线圈、一组m周期的精通道信号发射线圈、转子谐振电容；m 大于n，且m与n互为质数。
本发明所述的感应式绝对角度传感器，其进一步优选的技术方案是：定子线圈板和转子线圈板安装时保持同心；激励信号发射线圈与激励信号接收线圈同心，且保证内外径相等；粗通道信号发射线圈与粗通道信号接收线圈同心，且保证内外径相等；精通道信号发射线圈与精通道信号接收线圈同心，且保证内外径相等。
本发明所述的感应式绝对角度传感器，其进一步优选的技术方案是：所述的激励信号发射线圈与定子谐振电容组成谐振电路，谐振频率为f1；激励信号接收线圈与转子谐振电容组成谐振电路，谐振频率为f2；当f1＝f2时，定子谐振电路与转子谐振电路产生全谐振，此时耦合效率最高。
传感器的解算板包括电源电路、激励信号产生电路、输出信号调理电路、输出信号检波电路、输出信号解算电路和数字接口电路。解算板的激励信号产生电路发出高频激励信号，信号波形可以为正弦波、方波或者三角波，其中以高频的方波最容易获得。激励信号经过定子部分的谐振电路转换为同频的正弦波，而转子部分的谐振电路通过互感耦合将正弦波感应过来。
解算板的激励信号产生电路发出高频激励方波信号；方波信号经过定子部分的谐振电路转换为同频的正弦波U1sinωt，而转子部分的谐振电路通过互感耦合将正弦波感应过来；转子谐振电路将耦合的正弦波U2sinωt传递给粗、精通道发射线圈，正弦波经过粗、精通道发射线圈产生脉动磁场。
本发明所述的感应式绝对角度传感器，其进一步优选的技术方案是：传感器的转子部分转动一圈时，定子部分的粗、精通道信号接收线圈通过脉动磁场进行耦合，分别产生n周期正余弦信号及m周期的正余弦信号；定子接收线圈输出正余弦信号通过解算板的处理可以求得粗通道当前周期的相位角α1及精通道当前周期的相位角α2，通过判断α1与α2的差值，即可获取转子转动的区间位置
Figure BDA0002366800300000031
将区间位置
Figure BDA0002366800300000032
与精通道的相位角α2进行组合可获得转子转动的高精度绝对角度θ。
本发明所述的感应式绝对角度传感器，其进一步优选的技术方案是：所述的激励信号发射线圈为一组5匝的螺旋线圈；粗通道信号接收线圈为两组7周期的正弦线圈、两组正弦线圈相差90°的相位角；精通道信号接收线圈为两组100周期的正弦线圈、两组正弦线圈相差 90°的相位角；所述激励信号接收线圈为一组5匝的螺旋线圈、且旋向与激励信号发射线圈一致；粗通道信号发射线圈为一组7周期的扇形线圈；精通道信号发射线圈为一组100周期的扇形线圈；当传感器的转子部分转动θ角度时，粗通道信号接收线圈和精通道信号接收线圈根据从脉动磁场耦合的不同磁通量分别产生正余弦信号 U3sinωtsinα1、U3sinωtcosα1、U4sinωtsinα2、U4sinωtcosα2。耦合信号通过输出信号调理电路、输出信号检波电路可求得相位角α1、α2，输出信号解算电路通过处理α1、α2，可获得转子转动的高精度绝对角度θ。
本发明所述的感应式绝对角度传感器，其进一步优选的技术方案是：所述定子的激励信号发射线圈可以为一组5匝的螺旋线圈，粗通道信号接收线圈可以为两组7周期的正弦线圈、两组正弦线圈相差 90°的相位角。精通道信号接收线圈可以为两组100周期的扇形线圈、两组扇形线圈相差90°的相位角。粗通道信号接收线圈与精通道信号接收线圈在空间上重叠，分别位于PCB的不同层；所述转子的激励信号接收线圈为一组5匝的螺旋线圈、且旋向与激励信号发射线圈一致；粗通道信号发射线圈为一组7周期的扇形线圈；精通道信号发射线圈为一组100周期的正弦线圈；粗通道信号发射线圈与精通道信号发射线圈分别设计为扇形及正弦形，以减小相互之间的磁场干扰，从而使其在空间上重叠，分别位于PCB的不同层；转子部分转动一圈时，定子部分的粗、精通道信号接收线圈分别产生7周期正余弦信号及100周期的正余弦信号；正余弦信号通过解算板处理，得到粗精通道当前的相位角，将粗精通道的相位角进行处理，即可获得转子转动绝对位置的数字信号。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)传感器采用谐振技术传输激励信号，体积更小。
(2)传感器线圈使用PCB制作，生产成本低、便于批产，并且可以针对用户设计定制尺寸。
(3)传感器的粗精通道可以重叠，在相同外径时可实现更大的安装孔径。
附图说明
图1为本发明的传感器结构示意图；
图2为本发明的定子线圈示意图；
图3为本发明的转子线圈示意图；
图4为本发明的解算板示意图；
图5为本发明的定子线圈与转子线圈的感应区域示意图；
图6为本发明的信号传输原理图；
图7为本发明粗精重叠的转子线圈示意图；
图8为本发明粗精重叠的定子线圈示意图；
图9为本发明粗精重叠的定子线圈与转子线圈的感应区域示意图。
具体实施方式
以下进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步的理解本发明，而不构成对其权利的限制。
实施例1，参考图1、图2、图3、图6，一种采用PCB线圈并通过谐振耦合传输激励信号的感应式绝对角度传感器：该编码器主要由定子部分和转子部分组成。其中定子部分包括定子壳体1及安装在其上的定子线圈板3和解算板5，转子部分包括转子壳体2和安装在其上的转子线圈板4。定子部分与转子部分的间隙处使用加固胶6进行加固。
定子线圈板3包括一组激励信号发射线圈31，两组n周期的粗通道信号接收线圈321、322，两组m周期的精通道信号接收线圈331、 332，定子谐振电容34。m远大于n，且m与n互为质数。
转子线圈板4包括一组激励信号接收线圈41，一组n周期的粗通道信号发射线圈42，一组m周期的精通道信号发射线圈43，转子谐振电容44。
定子线圈板3和转子线圈板4安装时保持同心；激励信号发射线圈31与激励信号接收线圈41同心，且保证内外径相等；粗通道信号发射线圈42与粗通道信号接收线圈321、322同心，且保证内外径相等；精通道信号发射线圈43与精通道信号接收线圈331、332同心，且保证内外径相等。
解算板包括电源电路51、激励信号产生电路52、输出信号调理电路53、输出信号检波电路54、输出信号解算电路55、数字接口电路56。
激励信号产生电路52产生高频正弦波、方波或者三角波，并将信号传递给激励信号发射线圈31。激励信号发射线圈31与定子谐振电容34组成谐振电路，谐振频率为f1。该谐振电路将激励信号转换为正弦信号U1sinωt，并在空间产生脉动磁场9。
激励信号接收线圈41与转子谐振电容44组成谐振电路，谐振频率为f2。该谐振电路通过脉动磁场耦9合产生正弦信号U2sinωt。为了提高正弦信号U2sinωt的幅值，可使f2＝f1。
激励信号接收线圈41将耦合的正弦信号U2sinωt传递给粗通道信号发射线圈42及精通道信号发射线圈43。粗通道信号发射线圈42 及精通道信号发射线圈43通过正弦信号U2sinωt后，分别产生脉动磁场10、脉动磁场11。
当转子部分转动一圈时，定子部分的粗、精通道信号接收线圈通过脉动磁场10、11进行耦合，分别产生n周期正余弦信号及m周期的正余弦信号。定子接收线圈输出的n周期正余弦信号及m周期的正余弦信号通过解算板的输出信号调理电路53、检波电路54，可以求得粗通道当前周期的相位角α1及精通道当前周期的相位角α2，通过判断α1与α2的差值，即可获取转子转动的区间位置
Figure BDA0002366800300000071
将区间位置
Figure BDA0002366800300000072
与精通道的相位角α2进行组合可获得转子转动的高精度绝对角度θ。
实施例2，参考图1、图2、图3、图4、图5、图6，一种采用 PCB线圈并通过谐振耦合传输激励信号的感应式绝对角度传感器：该编码器主要由定子部分和转子部分组成。其中定子部分包括定子壳体 1、定子线圈板3、解算板5，转子部分包括转子壳体2、转子线圈板 4。
定子线圈板3包括一组激励信号发射线圈31，激励信号发射线圈31为一组5匝的螺旋线圈；两组5周期的粗通道信号接收线圈321、 322，线圈321、322在空间上相差90°相位；两组100周期的精通道信号接收线圈331、332，线圈331、332在空间上相差90°相位；定子谐振电容34。
转子线圈板4包括一组激励信号接收线圈41，激励信号接收线圈41为一组5匝的螺旋线圈，且旋向与激励信号发射线圈31一致；一组7周期扇形的粗通道信号发射线圈42，一组100周期扇形的精通道信号发射线圈43；转子谐振电容44。
定子线圈板3和转子线圈板4安装时保持同心；激励信号发射线圈31与激励信号接收线圈41同心，且保证内外径相等；粗通道信号发射线圈42与粗通道信号接收线圈321、322同心，且保证内外径相等；精通道信号发射线圈43与精通道信号接收线圈331、332同心，且保证内外径相等。
解算板包括电源电路51、激励信号产生电路52、输出信号调理电路53、输出信号检波电路54、输出信号解算电路55、数字接口电路56。
激励信号产生电路52产生一个高频的方波，并将信号传递给激励信号发射线圈31。激励信号发射线圈31与定子谐振电容34组成谐振电路，谐振频率为f1。该谐振电路将激励信号转换为正弦信号 U1sinωt，其中ω＝2πf1，并在空间产生脉动磁场9。
激励信号接收线圈41与转子谐振电容44组成谐振电路，谐振频率为f2，且f2＝f1。该谐振电路通过脉动磁场9耦合产生正弦信号U2sinωt。
激励信号接收线圈41将耦合的正弦信号U2sinωt传递给粗通道信号发射线圈42及精通道信号发射线圈43。粗通道信号发射线圈42 及精通道信号发射线圈43通过正弦信号U2sinωt后，分别产生脉动磁场10、脉动磁场11。
当转子部分转动θ角度时，粗通道信号接收线圈321、322根据从脉动磁场10耦合的不同磁通量分别产生信号U3sinωtsinα1、 U3sinωtcosα1，精通道信号接收线圈333、334根据从脉动磁场11耦合的不同磁通量分别产生信号U4sinωtsinα2、U4sinωtcosα2。耦合信号U3sinωtsinα1、U3sinωtcosα1及U4sinωtsinα2、U4sinωtcosα2通过输出信号调理电路53、输出信号检波电路54可求得相位角α1、α2，输出信号解算电路55通过判断α1与α2的差值，即可获取转子转动的区间位置
Figure BDA0002366800300000092
并将区间位置
Figure BDA0002366800300000091
与精通道的相位角α2进行组合可获得转子转动的高精度绝对角度θ。
实施例3，参考图1、图4、图7、图8，一种采用PCB线圈并通过谐振耦合传输激励信号的感应式绝对角度传感器：该编码器主要由定子部分和转子部分组成。其中定子部分包括定子壳体1、定子线圈板3、解算板5，转子部分包括转子壳体2、转子线圈板4。
定子线圈板3包括一组激励信号发射线圈71，激励信号发射线圈71为一组5匝的螺旋线圈；两组5周期的粗通道信号接收线圈721、 722，线圈721、722为在空间上相差90°相位的正弦线圈；两组100 周期的精通道信号接收线圈731、732，线圈731、732为空间上相差90°相位的扇形线圈；定子谐振电容74。线圈721、722与线圈731、 732在空间上重叠，分别位于PCB的不同层。
转子线圈板4包括一组7周期扇形的粗通道信号发射线圈81，一组100周期正弦形的精通道信号发射线圈82，转子谐振电容83。线圈81与线圈82在空间上重叠，分别位于PCB的不同层。
定子线圈板3和转子线圈板4安装时保持同心；激励信号发射线圈71与粗通道信号发射线圈81同心，且保证激励信号发射线圈71 外径大于等于粗通道信号发射线圈81的外径；粗通道信号发射线圈 81与粗通道信号接收线圈721、722同心，且保证内外径相等；精通道信号发射线圈82与精通道信号接收线圈731、732同心，且保证内外径相等。
解算板包括电源电路51、激励信号产生电路52、输出信号调理电路53、输出信号检波电路54、输出信号解算电路55、数字接口电路56。
激励信号产生电路52产生一个高频的方波，并将信号传递给激励信号发射线圈71。激励信号发射线圈71与定子谐振电容74组成谐振电路，谐振频率为f1。该谐振电路将激励信号转换为正弦信号 U1sinωt，其中ω＝2πf1，并在空间产生脉动磁场。
粗通道信号发射线圈81与转子谐振电容83组成谐振电路，谐振频率为f2，且f2＝f1。该谐振电路通过脉动磁场耦合产生正弦信号 U2sinωt。同时粗通道信号发射线圈81及精通道信号发射线圈82通过正弦信号U2sinωt后，分别产生一个脉动磁场。
当转子部分转动θ角度时，粗通道信号接收线圈721、722及精通道信号接收线圈731、732根据从脉动磁场耦合的不同磁通量分别产生信号U3sinωtsinα1、U3sinωtcosα1以及U4sinωtsinα2、U4sinωtcosα2。输出信号调理电路53、输出信号检波电路54将耦合的信号进行处理可求得相位角α1、α2，输出信号解算电路55通过判断α1、α2的差值，即可获取转子转动的区间位置
Figure BDA0002366800300000111
并将区间位置
Figure BDA0002366800300000112
与精通道的相位角α2进行组合可获得转子转动的高精度绝对角度θ。

Claims (4)

1.一种感应式绝对角度传感器，其特征在于：该传感器主要由定子部分和转子部分组成；
定子部分包括定子壳体、定子线圈板和解算板；定子线圈板包含激励信号发射线圈、粗通道信号接收线圈和精通道信号接收线圈；
转子部分包括转子壳体、转子线圈板；转子线圈板包含激励信号接收线圈、粗通道信号发射线圈和精通道信号发射线圈；
传感器通过激励信号发射线圈与激励信号接收线圈之间的谐振耦合传输激励信号，并根据粗、精通道信号发射线圈与粗、精通道信号接收线圈之间耦合的不同磁通量来实现绝对位置的测量；
传感器的定子线圈板和转子线圈板都是基于PCB设计，其中定子线圈板包括一组激励信号发射线圈、两组n周期的粗通道信号接收线圈、两组m周期的精通道信号接收线圈、定子谐振电容；传感器的转子线圈板包括一组激励信号接收线圈、一组n周期的粗通道信号发射线圈、一组m周期的精通道信号发射线圈、转子谐振电容；m大于n，且m与n互为质数；
定子线圈板和转子线圈板安装时保持同心；激励信号发射线圈与激励信号接收线圈同心，且保证内外径相等；粗通道信号发射线圈与粗通道信号接收线圈同心，且保证内外径相等；精通道信号发射线圈与精通道信号接收线圈同心，且保证内外径相等；
所述的激励信号发射线圈与定子谐振电容组成谐振电路，谐振频率为f1；激励信号接收线圈与转子谐振电容组成谐振电路，谐振频率为f2；所述的解算板的激励信号产生电路发出高频激励方波信号；方波信号经过定子部分的谐振电路转换为同频的正弦波U1sinωt，而转子部分的谐振电路通过互感耦合将正弦波感应过来；转子谐振电路将耦合的正弦波U2sinωt传递给粗、精通道发射线圈，正弦波经过粗、精通道发射线圈产生脉动磁场。
2.根据权利要求1所述的感应式绝对角度传感器，其特征在于：传感器的转子部分转动一圈时，定子部分的粗、精通道信号接收线圈通过脉动磁场进行耦合，分别产生n周期正余弦信号及m周期的正余弦信号；定子接收线圈输出正余弦信号通过解算板的处理可以求得粗通道当前周期的相位角α1及精通道当前周期的相位角α2，通过判断α1与α2的差值，即可获取转子转动的区间位置
Figure FDA0003607378600000021
将区间位置
Figure FDA0003607378600000022
与精通道的相位角α2进行组合可获得转子转动的高精度绝对角度θ。
3.根据权利要求1所述的感应式绝对角度传感器，其特征在于：所述的激励信号发射线圈为一组5匝的螺旋线圈；粗通道信号接收线圈为两组7周期的正弦线圈、两组正弦线圈相差90°的相位角；精通道信号接收线圈为两组100周期的正弦线圈、两组正弦线圈相差90°的相位角；所述激励信号接收线圈为一组5匝的螺旋线圈、且旋向与激励信号发射线圈一致；粗通道信号发射线圈为一组7周期的扇形线圈；精通道信号发射线圈为一组100周期的扇形线圈；当传感器的转子部分转动θ角度时，粗通道信号接收线圈和精通道信号接收线圈根据从脉动磁场耦合的不同磁通量分别产生正余弦信号U3sinωtsinα1、U3sinωtcosα1、U4sinωtsinα2、U4sinωtcosα2；耦合信号通过输出信号调理电路、输出信号检波电路可求得相位角α1、α2，输出信号解算电路通过处理α1、α2，可获得转子转动的高精度绝对角度θ。
4.根据权利要求1所述的感应式绝对角度传感器，其特征在于：所述定子的激励信号发射线圈为一组5匝的螺旋线圈，粗通道信号接收线圈为两组7周期的正弦线圈、两组正弦线圈相差90°的相位角；精通道信号接收线圈可以为两组100周期的扇形线圈、两组扇形线圈相差90°的相位角；粗通道信号接收线圈与精通道信号接收线圈在空间上重叠，分别位于PCB的不同层；所述转子的激励信号接收线圈为一组5匝的螺旋线圈、且旋向与激励信号发射线圈一致；粗通道信号发射线圈为一组7周期的扇形线圈；精通道信号发射线圈为一组100周期的正弦线圈；粗通道信号发射线圈与精通道信号发射线圈分别设计为扇形及正弦形，以减小相互之间的磁场干扰，从而使其在空间上重叠，分别位于PCB的不同层；转子部分转动一圈时，定子部分的粗、精通道信号接收线圈分别产生7周期正余弦信号及100周期的正余弦信号；正余弦信号通过解算板处理，得到粗精通道当前的相位角，将粗精通道的相位角进行处理，即可获得转子转动绝对位置的数字信号。
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