CN112444191B

CN112444191B - 感应式角传感器

Info

Publication number: CN112444191B
Application number: CN202010863036.8A
Authority: CN
Inventors: U·奥塞勒克纳
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2020-08-25
Publication date: 2023-05-05
Anticipated expiration: 2040-08-25
Also published as: US11592319B2; DE102019213174B3; US20210063206A1; DE102019213174B9; CN112444191A

Abstract

本发明涉及感应式角传感器(100)，用于确定转子(120)相对于定子(110)的旋转位置。其包括励磁线圈(113)，具有m重对称的拾取线圈装置(111)和导电目标(121)。励磁线圈(113)励磁导电目标(121)，导电目标感应拾取线圈装置(111)中的感应信号(S_i1)。信号分析设备(140)基于感应信号(S_i1)确定转子(130)的旋转位置。至少一个导电目标(121)无定向。该传感器包括具有n重对称的第二拾取线圈装置(112)和第二导电目标(122)，第二导电目标无定向。励磁线圈(113)励磁第二导电目标(122)，第二导电目标感应第二拾取线圈装置(112)中的第二感应信号(S_i2)。信号分析设备(140)根据游标原理基于两个感应信号(S_i1，S_i2)确定转子(130)的旋转位置。

Description

感应式角传感器

技术领域

本公开的实施例涉及包括转子和定子的感应式角传感器，其中转子和定子之间的相对旋转位移可以使用感应原理来确定。一些示例性实施例可涉及由转子包括的一个或多个目标的特定几何对称，并且一些示例性实施例可涉及分别由定子和/或由转子包括的无定向装置。

背景技术

感应位置传感器通常可用于确定可相对于彼此移动的两个构件之间的相对位移，其中，相对位移的确定基于电感应原理。例如，感应式角传感器可以确定两个构件之间的相对线性位移或相对旋转位移。在后一种情况下，第一构件可包括定子，并且第二构件可包括可相对于定子旋转的转子。

为了利用电感应原理，定子可以包括用交流电馈送的励磁线圈。因此，定子产生交变磁场。转子可包括目标线圈，其中，交变磁场在目标线圈中感应涡流，涡流产生磁通量。此外，定子包括拾取线圈。上述磁通量在拾取线圈中感应出感应电流。感应电流的相位和幅度取决于转子和定子之间的相对位置。因此，转子和定子之间的相对角位移可以从经测量的感应电流的相位和幅度导出。

这些感应式角传感器对环境影响相对稳健，例如，即使在多尘和恶劣的条件下，它们仍然可以很好地工作。此外，它们可以提供转子和定子之间的相对角位移的良好指示。但是，它们可能容易受到外界磁场的干扰。此外，它们可能仅具有相对于它们的角测量范围的有限分辨率。此外，经测量的感应电流的相位和幅度之间的关系在360°整个回转上可能是不明确的。也就是说，在360°整个回转上，某些成对的值(相位，幅度)可能出现一次以上，这使得角位移的确定不明确，因为它给所确定的角位移带来不确定性。

发明内容

因此，期望改进感应式角传感器，使得它们可以提供角位移的精确高分辨率、对外部磁场的稳健性以及转子和定子之间角位移的明确测量。

第一方面涉及一种感应式角传感器，该感应式角传感器包括定子和转子，定子和转子可绕旋转轴相对于彼此旋转运动。定子可包括励磁线圈，第一拾取线圈装置和第二拾取线圈装置。第一拾取线圈装置可以包括m重对称。第二拾取线圈装置可以包括n重对称。下面将更详细地描述所述m折和n重对称。然而，根据该方面，整数m和n彼此不同，并且它们除了1之外没有公约数。转子可以包括目标装置，该目标装置包括第一导电目标和第二导电目标。第一导电目标和第二导电目标可以沿旋转轴彼此垂直堆叠在一起。第一导电目标可以包括与第一拾取线圈装置的m重对称相对应的m重对称。第二导电目标可以包括与第二拾取线圈装置的n重对称相对应的n重对称。励磁线圈可以用交流电励磁。交流电可在第一导电目标中感应第一感应电流，从而产生周期性为360°/m的第一磁通量。交流电还可在第二导电目标中感应第二感应电流，从而产生周期性为360°/n的第二磁通量。周期性为360°/m的第一磁通量可以在具有m重对称的第一拾取线圈装置中感应第一感应信号，并且周期性为360°/n的第二磁通量可以在具有n重对称的第二拾取线圈装置中感应第二感应信号。感应式角传感器还可以包括用于基于第一感应信号和第二感应信号确定转子的旋转位置的信号分析设备。

第二方面涉及一种感应式角传感器，该感应式角传感器包括定子和转子，定子和转子可沿旋转轴相对于彼此旋转运动。定子可包括励磁线圈和包括m重对称的至少一个拾取线圈装置。转子可包括次级线圈和目标装置，目标装置包括至少第一导电目标，该第一导电目标具有与至少一个拾取线圈装置的m重对称相对应的m重对称。励磁线圈可以用交流电励磁，用于将感应电流感应耦合到次级线圈中。次级线圈可以与目标装置电耦合，并且特别是与第一导电目标电耦合，使得感应电流在第一导电目标中产生具有周期性为360°/m的磁通量。具有周期性为360°/m的磁通量可以在具有m重对称的至少一个拾取线圈装置中感应出感应信号。感应式角传感器还可以包括用于基于感应信号确定转子的旋转位置的信号分析设备。根据该方面，第一导电目标可以是无定向的。

附图说明

图1示出了根据实施方式的感应式角传感器的框图，

图2示出了定子的俯视图，定子包括励磁线圈、第一拾取线圈装置和第二拾取线圈装置，

图3A给出了用于确定感应信号的相位角的原理图，

图3B示出了从图3A的相位角计算的旋转角的示意图，

图4示出了用于根据实施方式的感应式角传感器中的线圈的示意图，

图5示出了基于第一感应信号和第二感应信号的差计算旋转角的示意图，

图6示出了无定向拾取线圈装置的示意性俯视图，其中，一个拾取线圈布置在基板的第一侧上，并且第二拾取线圈布置在基板的相对的第二侧上，

图7A至图7C示出了具有励磁线圈和径向布置的第一拾取线圈装置和第二拾取线圈装置的定子的示意性俯视图，

图8示出了根据实施方式的感应式角传感器的示意图，该感应式角传感器包括具有第一导电目标的无定向目标装置，

图9示出了根据实施方式的感应式角传感器的示意图，该感应式角传感器包括具有第一导线目标和第二导电目标的无定向目标装置，以及

图10示出了根据实施方式的角传感器的示意性框图，该角传感器包括在定子上的附加电路。

具体实施方式

在下面的描述中，相等或等价的元件或具有相等或等价功能的元件由相等或等价的附图标记表示。

通过框图描述并参照所述框图描述的方法步骤也可以不同于所描绘和/或描述的顺序来执行。此外，与设备的特定特征有关的方法步骤可以用所述设备的所述特征替换，反之亦然。

作为本文所述原理的引言，应给出术语“k重对称”的简要定义：如果一个形状可以绕一个轴旋转360°×x/k(x为任意整数)以使其看起来相同，则该形状可具有k重对称。

图1示出了根据第一方面的感应式角传感器100的示例性实施方式。感应式角传感器100可包括定子110和转子120，定子110和转子120可绕旋转轴130相对于彼此旋转运动。

定子110可包括励磁线圈113、第一拾取线圈装置111和第二拾取线圈装置112。第一拾取线圈装置111可以包括m重对称，即，它可以绕旋转轴130旋转360°×x/m(其中x是任意整数)，使得它看起来相同。第二拾取线圈装置112可以包括n重对称，即，它可以绕旋转轴130旋转360°×x/n(其中x是任意整数)，使得它看起来相同。

在如图1所示的非限制性示例中，第一拾取线圈装置111可具有3重对称，而第二拾取线圈装置112可具有4重对称。

根据本文所述的创新原理，变量m和n彼此不同，并且它们除了1之外没有公约数。这是一个重要的信息，因为如下面将更详细地描述的，这是第一拾取线圈装置111和第二拾取线圈装置112可以不相互干扰或几乎不相互干扰的原因之一。例如，m＝n+1。

励磁线圈113可以包括环形的，并且特别是弧形或圆形的轮廓。励磁线圈113可以与旋转轴130同轴地装置在定子110上。第一拾取线圈装置111和第二拾取线圈装置112还可以包括大致环形的轮廓，并且特别是弧形或圆形的轮廓，其可以任选地包括朝向旋转轴130延伸的缺口或开口151。第一拾取线圈装置111和第二拾取线圈装置112可以与旋转轴130同轴地装置在定子110上。

转子120可包括目标装置123。目标装置123可包括第一导电目标121和第二导电目标122。第一导电目标121和第二导电目标122可以沿旋转轴130彼此垂直地堆叠。第一导电目标121可包括与第一拾取线圈装置111的m重对称相对应的m重对称。第二导电目标122可包括与第二拾取线圈装置112的n重对称相对应的n重对称。这是一个重要的信息，因为如下面将更详细地描述的，这是为什么第一导电目标121和第二导电目标122可以不相互干扰或几乎不相互干扰的原因之一，并且也是为什么第一导电目标121可以干扰第一拾取线圈装置111但(几乎)不干扰第二拾取线圈装置112以及为什么第二导电目标122可以干扰第二拾取线圈装置112但(几乎)不干扰第一拾取线圈装置111的原因之一。

在如图1所示的非限制性示例中，第一导电目标121可具有3重对称，而第二导电目标122可具有4重对称。

第一导电目标121和第二导电目标122还可以包括大致环形的轮廓，并且特别是弧形或圆形的轮廓，该轮廓可以任选地包括朝向旋转轴130延伸的缺口或开口150。第一导电目标121和第二导电目标122可以与旋转轴130同轴地装置在转子120上。

励磁线圈113可以被馈入交流电流I_AC。交流电流I_AC可在第一导电目标121中感应第一感应电流，从而产生周期性为360°/m的第一磁通量。此外，交流电I_AC可在第二导电目标122中感应第二感应电流，从而产生周期性为360°/n的第二磁通量。

周期性为360°/m的第一磁通量可以在具有m重对称的第一拾取线圈装置111中感应第一感应信号S_i1。周期性为360°/n的第二磁通量可以在具有n重对称的第二拾取线圈装置112中感应第二感应信号S_i2。

感应式角传感器100还可以包括用于基于第一感应信号S_i1和第二感应信号S_i2确定转子120相对于定子110的旋转位置的信号分析设备140。

如上所述，本创新原理基于第一导电目标121可干扰第一拾取线圈装置111并且可在第一拾取线圈装置111中感应第一感应信号S_i1的发现。然而，第一导电目标121可以(几乎)不干扰第二拾取线圈装置112，并且因此可以不在第二拾取线圈装置112中感应任何相关的感应信号。同时，第二导电目标122可干扰第二拾取线圈装置112，并可在第二拾取线圈装置112中感应第二感应信号S_i2。然而，第二导电目标122可以(几乎)不干扰第一拾取线圈装置111，并且因此可以不在第一拾取线圈装置111中感应任何相关的感应信号。

这是由于这一事实：第一拾取线圈装置111和第一目标121可以包括相同的m重对称，而第二拾取线圈装置112和第二目标122可以包括相同的n重对称，其中整数m和n彼此不同，并且它们除了1之外没有公约数。

如上所述，励磁线圈113可以分别被馈入交流电流或交流电压。例如，励磁线圈113可以被馈送频率f₀的正弦形状的交流电压。该频率f₀可以被称为载波频率。例如，载波频率f₀可以包括100kHz和10MHz之间的值，例如4MHz±10％。

感应信号S_i1，S_i2可以是幅度调制载波频率信号，该信号可以具有以下形式：Upickup(t)＝A×(1+a×sin(m×phi))×sin(2×pi×f0×t)。调制因子a可以从装置的几何形状导出，而phi是拾取线圈111，112和导电目标121，122之间的旋转角，当两者都具有360°/m的周期时。

在感应式角传感器100的组装状态下，励磁线圈113、第一拾取线圈装置111和第二拾取线圈装置112以及第一导电目标121和第二导电目标122可以与旋转轴130同轴地装置。附加地或可选地，励磁线圈113、第一拾取线圈装置111和第二拾取线圈装置112以及第一导电目标121和第二导电目标122可以沿旋转轴130一个在另一个之上布置，使得当沿旋转轴130观察时，例如当从顶部或底部观察时，它们彼此重叠。

第一拾取线圈装置111和第一导电目标121可以包括相同的直径。第二拾取线圈装置112和第二导电目标122可以包括相同的直径。附加地或可选地，所有的第一拾取线圈装置111和第二拾取线圈装置112以及第一导电目标121和第二导电目标122可以包括相同的直径。励磁线圈113可以包括略大于第一拾取线圈装置111和第二拾取线圈装置112以及第一导电目标121和第二导电目标122中的至少一个的直径的直径。导电目标121，122的直径可以大于拾取线圈111，112的直径。因此，即使转子120将相对于定子110偏心地装置，则励磁线圈113仍可沿旋转轴以投影形式覆盖导电目标121，122(例如，当从顶部或底部平面图观察时)。换句话说，导电目标121，122可以不在励磁线圈113的圆周上突出。附加地或可选地，拾取线圈111，112可以不在导电目标121，122的圆周上突出。因此，感应式角传感器100可以相对于装配期间的公差是稳健的。

图2示出了定子110的俯视图，其清楚地示出了第一拾取线圈装置111和第二拾取线圈装置112的布置和对称。可以看出，定子110可以包括励磁线圈113、第一拾取线圈装置111和第二拾取线圈装置112。励磁线圈113可以绕第一拾取线圈装置111和第二拾取线圈装置112周向地布置。第一拾取线圈装置111可以包括m重对称(这里：例如3重对称)，并且第二拾取线圈装置112可以包括n重对称(这里：例如4重对称)。

为了进一步解释创新的感应式角传感器100的一些优点，首先应参考图3A和图3B。它们示出了仅使用一个具有3重对称的拾取线圈装置的感应式角传感器的比较示例。

图3A示出了拾取线圈装置中的感应电压U₁，U₂的图，其中，感应电压U₁，U₂从它们的载波频率f₀相干地解调，如上面参考图1的装置所述。该拾取线圈装置包括用于测量感应余弦电压信号31(U₁)的幅度(横坐标)和相位角(纵坐标)的第一线圈和用于测量正弦电压信号32(U₂)的幅度(横坐标)和相位角(纵坐标)的第二线圈。第一和第二拾取线圈是m重对称的相同拾取线圈，其中，一个拾取线圈相对于另一个拾取线圈旋转360°/m/4。因此，解调信号31，32与旋转角的关系如图3A所示为90°相移。

解调信号31，32的幅度示例性地描绘为在A₁和-A₁之间变动。产生这些信号31，32的拾取线圈是非无定向的，这将在下面进一步详细描述。因此，A₁处的最大值和-A₁处的最小值可能不对称于A＝0，即，信号可能不以0为中心(不是无均值)。在旋转运动的情况下，分别与相当大的叠加偏移或平均值相比，拾取线圈中的电压变化可能相当小。

图3B示出了锯齿信号33，它表示指针{U₂，U₁}与{1，0}轴的角。因此，

或saw tooth＝arctan2(U₂，U₁)。指针{U₂，U₁}的估计角在纵坐标上示出，而横坐标示出转子120和定子110之间旋转的机械角，该机械角可以根据指针{U₂，U₁}的角计算。

如图3A和图3B所示，信号31，32，33在120°的角范围内可能是清楚的，这是由3重对称(360°/3)引起的。然而，在每个重复120°的角范围之后，信号形状重复，即，信号31，32，33变得模糊。可以说，信号31，32，33具有360°/k的周期性，其中k表示k重对称，即在此示例性情况下k＝3，使得信号31，32，33具有120°的周期性。如上所述，信号31，32，33可以在一个周期期间是无歧义的，但是可以在两个或更多个周期期间是有歧义的。

图4示出了用于说明线圈的一些可能的几何布置的示意图40，所述线圈可用于根据本文描述的创新原理的感应式角传感器100中。该图40没有示出信号形式，它表示励磁线圈113、第一拾取线圈装置111和第二拾取线圈装置112以及第一导电目标121和第二导电目标122的示例性几何装置。为了清楚地示出所示线圈和目标111，112，113，121，122的几何形状和角依赖性之间的相关性，图40示意性地示出这些线圈和目标111，112，113，121，122具有直线形状，而实际上它们可以包括如上文参考图1和图2所述的环形(例如圆形)形状。

换句话说，图4的示意图是线圈几何形状的简化视图，其中方位坐标绘制在横坐标上，且径向坐标绘制在纵坐标上。因此，如图1和图2所示，线圈实际上可以是环形的，它们各自的端部可在0°和360°处接触。

图4从上到下示出了第一导电目标121、第二导电目标122、励磁线圈113、第一拾取线圈装置111和第二拾取线圈装置112。

第一导电目标121可包括m重对称。在该示例性情况下，它可以包括4重对称。可以看出，它可以包括每360°/m重复的几何图案，在此示例性情况下每90°重复。例如，如所示出的，第一导电目标121可包括跨越第一45°的齿152和跨越直接随后的45°的缺口151。这种交替的缺口和齿151，152的图案可以每360°/m重复一次，在此示例性情况下每90°重复一次。

第二导电目标122可包括n重对称。在该示例性情况下，它可以包括3重对称。可以看出，它可以包括每360°/n重复的几何图案，在此示例性情况下每120°重复一次。例如，如图所示，第二导电目标122可包括跨越第一60°的齿149和跨越直接随后的60°的缺口150。这种交替的齿和缺口149，150的图案可以每360°/n重复一次，在该示例性情况下每120°重复一次。

上述讨论的齿和缺口仅被描述为非限制性实例。第一导电目标121和第二导电目标122可以包括其它形式和几何形状，只要它们包括m重和n重对称。

励磁线圈130可以包括没有任何特定图案的直形状。例如，励磁线圈130可以包括以一个单环且以最短距离(即环形且直线)铺设的导线。如上所述，图4中所示的导线只是为了说明的目的而线性的。在现实中，它们可能被排列成一个圆圈的形状。因此，所描绘的励磁线圈130的两根导线可以形成具有第一直径的第一圆(外圆)和具有较小第二直径的第二圆(内圆)。如图4中箭头所示，内圆和外圆中的电流沿相反方向流动。

第一拾取线圈装置111可以包括两个单个拾取线圈，例如第一拾取线圈111a和第二拾取线圈111b。第一拾取线圈111a和第二拾取线圈111b中的每一个可以具有m重对称。在本例中，m＝4，即它们具有4重对称。可以看出，第一拾取线圈111a和第二拾取线圈111b可以相对于彼此移动90°/m，即，在该示例性情况下移动22.5°。如前所述，第一拾取线圈111a和第二拾取线圈111b实际上可以如图1和图2所示圆形布置。因此，如果应用于圆形形状，则第一拾取线圈111a和第二拾取线圈111b可以绕旋转轴130相对于彼此旋转90°/m，例如22.5°。例如，第一拾取线圈111a可以是用于拾取余弦信号的余弦拾取线圈，而第二拾取线圈111b可以是用于拾取正弦信号的正弦拾取线圈。

第二拾取线圈装置112可以包括两个单个拾取线圈，例如第三拾取线圈112a和第四拾取线圈112b。第三拾取线圈112a和第四拾取线圈112b中的每一个可以具有n重对称。在本例中，n＝3，即它们具有3重对称。可以看出，第三拾取线圈112a和第四拾取线圈112b可以相对于彼此移动90°/n，即，在此示例性情况下移动30°。如上所述，第三拾取线圈112a和第四拾取线圈112b实际上可以如图1和图2所示圆形布置。因此，如果应用于圆形形状，则第三拾取线圈112a和第四拾取线圈112b可以绕旋转轴130相对于彼此旋转90°/n，例如30°。例如，第三拾取线圈112a可以是用于拾取余弦信号的余弦拾取线圈，而第四拾取线圈112b可以是用于拾取正弦信号的正弦拾取线圈。

还可能的是，第一拾取线圈装置111和第二拾取线圈装置112中的至少一个可以包括多于示例性描述的两个拾取线圈111a，111b，112a，112b。例如，第一拾取线圈装置111和第二拾取线圈装置112中的至少一个可以包括三个拾取线圈(u，v，w)，例如在要测量三相信号(例如三相电流)的情况下。则这三个拾取线圈中的两个最好必须绕旋转轴彼此相对旋转120°/n。

可以看出，第一拾取线圈装置111的第一拾取线圈111a和第二拾取线圈111b中的每一个可以布置在环401至408中。例如，第一拾取线圈111a可包括在环域(ring domain)中沿360°整个回转的数量为2×m个环401至408。在该示例性情况下，第一拾取线圈111a可在整个360°上包括2×4＝8个环401至408。附加地或可选地，第二拾取线圈111b可包括在环域中沿360°整个回转布置的数量为2×m个环。在该示例性情况下，第二拾取线圈111b可在整个360°上包括2×4＝8个环。

附加地或可选地，第二拾取线圈装置112的第三拾取线圈112a和第四拾取线圈112b中的每一个可以布置成环。例如，第三拾取线圈112a可包括在环域中沿360°整个回转的数量为2×n个环。在该示例性情况下，第三拾取线圈112a可在整个360°上包括2×3＝6个环。附加地或可选地，第四拾取线圈112b可包括在环域中沿360°整个回转布置的数量为2×n个环。在该示例性情况下，第四拾取线圈112b可在整个360°上包括2×3＝6个环。

回到第一拾取线圈装置111的第一拾取线圈111a的示例，第一环401和第二环402可以具有相反的绕组方向，其中第一环401可以是正绕组，且第二环402可以是负绕组。绕组方向也可称为回转方向，并且描述线圈的一个或多个绕组的回转方向。

单个环401至408可以被分组为环的组或集合。例如，第一组环可包含具有正回转方向的那些环401，403，405，407，而第二组环可包含具有负回转方向的那些环402，404，406，408。因此，第一拾取线圈111a和第二拾取线圈111b中的每一个可以包括第一组环和第二组环，第一组环中的每个环401，403，405，407包括第一回转方向，第二组环中的每个环402，404，406，408包括相反的第二回转方向。如示例性示出的，具有第一回转方向的环可以与具有第二回转方向的环交替布置，即，相邻的环可以具有相反的回转方向。

每个环401至408跨越一个区域，该区域是各个环401至408内侧的各个表面积或体积。因此，包含在第一组环中的所有环401，403，405，407可以一起跨越第一区域，而包含在第二组环中的所有环402，404，406，408可以一起跨越第二区域。

根据示例性实施方式，第一拾取线圈111a的第一区域和第二区域可以相同，使得第一拾取线圈111a是无定向的。附加地或可选地，第二拾取线圈111b的第一区域和第二区域可以相同，使得第二拾取线圈111b是无定向的。术语“相同”可包括第一区域和第二区域的尺寸的偏差高达10％或高达20％，例如由于公差。

对于包括第三拾取线圈112a和第四拾取线圈112b的第二拾取线圈装置112，也可以如此。每个环可以跨越一个区域，该区域是各个环内侧的各个表面积或体积。在该示例性实施方式中，包含在具有第一回转方向的第一组环中的所有环可以一起跨越第一区域，而包含在具有相反第二回转方向的第二组环中的所有环可以一起跨越第二区域。根据示例性实施方式，第三拾取线圈112a的第一区域和第二区域可以是相同的，使得第三拾取线圈112a是无定向的。附加地或可选地，第四拾取线圈112b的第一区域和第二区域可以相同，使得第四拾取线圈112b是无定向的。

在图4所示的示例中，环401至408中的每一个被示为跨越具有相同尺寸的区域。然而，单个环401至408可以跨越不同尺寸的区域。只要包含在第一组环中的所有环的所有跨接区域的总尺寸等于包含在第二组环中的所有环的所有跨接区域的总尺寸，则各个拾取线圈111a，111b，112a，112b是无定向的。

因此，第一拾取线圈111a和第二拾取线圈111b中的至少一个和/或第三拾取线圈112a和第四拾取线圈112b中的至少一个是所谓的无定向或差动拾取线圈。这意味着冲击在无定向拾取线圈111a，111b，112a，112b上的任何均匀磁场给出通过它的零净通量。如果该场是时变的，则在相应的无定向拾取线圈111a，111b，112a，112b中不感应电压。此外，一个特定拾取线圈装置111，112的两个无定向拾取线圈111a，111b，112a，112b之间的互感消失。同样，第一拾取线圈装置111的任何无定向拾取线圈111a，111b与第二拾取线圈装置112的任何其它无定向拾取线圈112a，112b之间的互感消失。同样，任何无定向拾取线圈111a，111b，112a，112b与励磁线圈113之间的互感消失。这与具有非无定向拾取线圈的传统感应式角传感器不同，其中，变化的磁场在任何时候冲击拾取线圈，它在相应的拾取线圈中产生涡流，导致两个附近线圈之间的感应耦合(即互感)。

第一导电目标121和第二导电目标122反过来又可以是非无定向的。如上所述，它们可以包括交替图案，该交替图案包括齿和缺口149至152。齿149，152可对应于第一环，且缺口150，151可对应于第二环。如可以看到的，第一导电目标121的所有环(即，齿和缺口)可以包括相同的回转方向。对于第二导电目标122的所有环，同样的情况成立。因此，第一导电目标121和第二导电目标122是非无定向的，这与环(即齿和缺口)的大小无关。由于第一导电目标121和第二导电目标122是非无定向的，所以励磁线圈113可以在目标121，122中感应感应电流。

这里描述的创新导电角传感器100的几个优点之一是，具有m重对称(例如4×90°)的第一导电目标121可仅在第一拾取线圈111a和第二拾取线圈111b(例如余弦和正弦)中感应信号，因为它们包括与第一导电目标121相同的m重对称。然而，由于第三拾取线圈112a和第四拾取线圈112b包括n≠m的n重对称，因此具有m重对称的第一导电目标121可能不会在第三拾取线圈112a和第四拾取线圈112b中感应任何相关信号(例如余弦和正弦)。此外，具有n重对称(例如3×120°)的第二导电目标122可仅在第三拾取线圈112a和第四拾取线圈112b中感应信号(例如余弦和正弦)，因为它们包括与第二导电目标122相同的n重对称。然而，第二导电目标122可能不会在第一拾取线圈111a和第二拾取线圈111b中感应任何相关信号(例如余弦和正弦)，因为它们包括m重对称，m≠n。

对于这一点，原因是拾取线圈111a，111b，112a，112b的选择性，选择性源自正弦函数的正交性特性：n重对称的线圈在0°至360°范围内对磁通量进行积分，从而消除所有不同于n重对称的磁通量图案。现在将用描述创新感应式角传感器100的理论背景的以下数学方程来证明这一点：

(注意，下面的示例使用n重和k重对称，其中，k重对称可以对应于本文另外描述的m重对称)

假设导电目标122具有n重对称。如果涡流在该目标122中流动，涡流将产生具有n重对称的磁通量密度：

其中，ω_o/(2π)是载波频率，ψ是方位角坐标，r是径向坐标，以及

是目标122的旋转角。此外，

是磁通量密度的m次谐波的径向依赖性。在具有k重对称的拾取线圈111a，111b中感应的电压是多少？我们假设拾取线圈111a，111b具有在环域中沿360°整个回转布置的2×k个环401至408，由此每个第二环具有相反的绕组方向。这对应于图4中示意性所示的拾取线圈111a，111b。由于导电目标122被假定为相对ψ＝0°移动

所以我们可以假定目标线圈111a，111b被对准ψ＝0°。因此，前两个环401，402可收集以下通量

对于偶数m此值为零-仅奇数m保留(则sin2项等于1)。在所有k个环401至408上求和给出总通量

它成立了

其中

因此，对于n＝k(否则＝0)

严格地说，该证明意味着拾取线圈111a，111b覆盖整个环区域--如果它们由于相邻环的交叉点附近的损耗而覆盖较少，则我们必须计算

然后，对于k≠n，总通量再次为零。如果k＝n，则对偶数m，总通量为零。对于奇数m，对于n＝k(否则＝0)，其最终得到

在最一般的情况下，拾取线圈可以包括具有

和

的k重对称，其中，Re是指实部并且系数ρ_i,p,ρ_o,p是复值。则我们可以写为

通过前两个环的通量为

如果我们将

的所有项乘以

求和，则对于k≠n，我们得到零。

如果我们把

的所有项乘以

求和，对于k≠n，我们也得到零。

但是，如果k＝n，m＝p的所有项都消失，且对于k＝n，我们得到

否则＝0。

这证明具有n重对称的导电目标122不在具有k重对称(其中k≠n)的拾取线圈111a，111b中感应电流。(如前所述，在上述数学示例中，k对应于m，如本文另外所述。)

这一证明是重要的，因为这意味着如果两个目标121，122具有n重和m重对称，则我们可以通过分别使用具有相应n重和m重对称的两个拾取线圈装置111，112来分离它们感应的信号。具有m重对称的拾取线圈装置111仅响应具有相应m重对称的导电目标121-然而，该拾取线圈装置111中的感应信号S_i1可以不响应具有n重对称的导电目标122。反之亦然。因此，在m重对称部分111，121和n重对称部分112，122之间没有串扰。

因此，我们不必将两个导电目标121，122和两个拾取线圈装置111，112远远分开放置(如果具有m重对称的目标和拾取线圈装置与具有n重对称的目标和拾取线圈装置相距很远，则很明显，这两个不干扰--不存在串扰)。我们也不必屏蔽具有m重对称的拾取线圈装置111，使该拾取线圈装置111不受n重对称的导电目标122中的涡流的磁场的影响。

因此，我们可以将单个励磁线圈113用于两个导电目标121，122(因为它们靠近在一起)。这节省了电力、成本和建筑空间。

上面讨论的概念的一个优点是感应信号S_i1和S_i2可以清楚地彼此分开，即信噪比(SNR)得到改善，这一点将参考图5加以说明。

图5描绘了示出感应信号S_i1，S_i2的示意图500，感应信号S_i1，S_i2可以根据本文描述的原理由感应式角传感器100产生。该示例的感应式角传感器100可包括第一导电目标121和第一拾取线圈装置111，第一导电目标121和第一拾取线圈装置111均具有m重对称，其中m＝10，以及第二导电目标122和第二拾取线圈装置112，第二导电目标122和第二拾取线圈装置112均具有n重对称，其中n＝11。

基于所描绘的两个感应信号S_i1，S_i2，可以计算转子120相对于定子110的旋转角

特别地，旋转角

可以根据两个角

来计算，每个角都可以从感应信号S_i1，S_I2中的相应一个导出。更具体地说，可以对第一感应信号S_i1进行采样，然后可以将采样值解释为指针的坐标，并且然后可以基于该坐标计算指针相对于正水平轴的角。对第二感应信号S₂也可以这样做。结果，可以得到所示的角

这些角

在图5中也称为感应式角。转子120相对于定子110的机械旋转角

可以根据两个感应式角

来计算，例如根据

例如，两个感应信号S_i1，S_i2的感应式角

的差

可以表示转子120相对于定子110的旋转角

例如，根据

如图5所示，根据本文所述原理计算的机械旋转角在360°整个回转上是明确的。如上文参考图3A和图3B所述的常规角传感器可替代地导致信号的不明确读数。

(请注意，上面讨论的感应式角

和

也如图4所示，其中m＝4，n＝3。)

由于根据本文描述的原理的感应式角传感器100包括具有m重对称的目标和拾取线圈装置111，121以及具有n重对称的目标和拾取线圈装置112，122的事实，相应的感应信号S_i1，S_i2可以包括如图5所示的不同的感应式角

感应信号S_i1，S_i2的感应式角的差

可提供转子120在360°整个回转上的旋转角

的明确读数。

例如，类似于以上参考图3B的锯齿信号所描述的，可以从通过具有m重对称的第一拾取线圈装置111的第一拾取线圈111a和第二拾取线圈111b拾取的信号(例如，余弦和正弦)中计算出第一感应信号S_i1，从该第一感应信号S_i1可以导出第一感应式角

而从通过具有n重对称的第二拾取线圈装置112的第三拾取线圈112a和第四拾取线圈112b拾取的信号(例如余弦和正弦)计算出第二感应信号S_i2，从该第二感应信号S_i2可以导出第二感应式角

基于此，可以根据局部感应式角

的差

来计算代表转子120的上述旋转角

的全局旋转角

例如，根据：

全局旋转角

可以计算为两个局部感应式角

的差。

例如，可以这样计算所述差：

这里，arctan₂是反正切函数，它表示象限，其中角是(在EXCEL中定义的)。

这种明确的读数也可称为所谓的游标原理(Vernier principle)。根据这样的实施方式，信号分析设备140可以被配置为基于来自第一导电目标121的第一感应信号S_i1来确定第一角

并且基于来自第二导电目标122的第二感应信号S_i2来确定第二角

信号分析设备140还可以被配置为根据游标原理确定转子120相对于定子110的明确机械旋转角

该旋转角

是根据

作为第一角

和第二角

的函数。

注意，上述游标原理可由感应式角传感器100提供，而不论感应式角传感器100是否包括无定向或非无定向的拾取线圈装置111，112。例如，本文所述原理的感应式角传感器100可以包括如上所述的无定向拾取线圈装置111，112。可选地，感应式角传感器100可包括非无定向拾取线圈装置。另外可选地，感应式角传感器100可包括至少一个无定向拾取线圈装置和至少一个非无定向拾取线圈装置。然而，如上所述，使用无定向拾取线圈装置可以提供更高的SNR和更小的外部扰动拾取。

总结并返回参考图4的示例性实施方式，可提供感应式角传感器100，该感应式角传感器100包括目标装置123，该目标装置123包括具有360°/n和360°/m(例如m＝n+1和n>1，整数)的不同周期的两个目标121，122。目标装置123可以用单个励磁线圈113励磁。相应的正弦和余弦信号可以以360°/n和以360°/m的周期性检测，并且可以计算它们的角

(phi_n和phi_m)，从而导出全局角

在下文中，可以给出一些实际实现，用于提供根据本文描述的创新原理的感应式角传感器100的一些非限制性实际示例：

通常，可以有两种类型的装置，其中，(i)可以在轴向上堆叠两个目标121，122(旋转轴在轴向上延伸)，或者(ii)可以将一个目标121放置在以旋转轴130为中心的圆内，且将另一目标122放置在以旋转轴130为中心的圆外(内部相对于外部目标线圈)。优选地，对应的拾取线圈111，112应当同样地布置(因为对于某些旋转位置，拾取线圈111，112和目标121，122之间的重叠应当很大)。

类型(i)可能比类型(ii)需要更少的径向空间，并且轴向空间仅微不足道地多。正如我们将在下面的FEM模拟结果中看到的，由于目标线圈121，122的感应耦合，类型(i)可能具有大约30％的信号损耗。然而，积极的效果是上面提到的明确的读数。

可以将所有拾取线圈装置111，112和励磁线圈113安装在相同或公共基板上，例如安装在公共PCB上。然后它们可以相对于彼此非常精确地布置，并且这种布置也可以在操作条件下非常稳定。

例如，定子110可以包括具有若干金属层的PCB，例如用于提供第一拾取线圈111a(例如m重余弦)的第一金属层，和/或用于提供第二拾取线圈111b(例如m重正弦)的第二金属层，和/或用于提供第三拾取线圈112a(例如n重余弦)的第三金属层，和/或用于提供第四拾取线圈112b(例如n重正弦)的第四金属层，和/或用于提供励磁线圈113的第五金属层。相应的电路可以连接到目标121，122，以借助于励磁线圈113产生励磁AC磁场，并且借助于拾取线圈111A，111b，112A，112b检测感应电压。

图6示出了包括第一无定向拾取线圈111a和第二无定向拾取线圈111b的无定向拾取线圈装置111的可能实现。无定向拾取线圈装置111包括m重对称。因此，第一无定向拾取线圈111a和第二无定向拾取线圈111b也可以包括m重对称。在该示例中，第一无定向拾取线圈111a是余弦拾取线圈(虚线)，且第二无定向拾取线圈111b是正弦拾取线圈(实线)。两个无定向拾取线圈111a，111b示例性地实现在2层PCB中的两个金属层中。深色代表底层，且浅色代表顶层。如果不同颜色的两个段相交，则可能存在过孔。

附加地或可选地，两个目标121，122可以安装在相同的基板(例如，保持器)上，所述基板可以任选地将它们附接到可旋转轴上，以使转子120绕旋转轴130旋转。如果两个目标121，122可以一起安装到轴上，则它们可以相对于彼此精确地对准。

目标121，122中的至少一个可包括具有一个或多个绕组的线圈。目标121，122中的至少一个可以实现为公共基板的至少一部分上的导体迹线，例如在PCB的顶侧或底侧或内部。对于每个目标121，122(例如线圈)可以使用PCB的不同层，例如在PCB顶部的第一层和在PCB底侧的第二层。附加地或可选地，PCB堆叠内的一个或多个层可以用于提供一个或多个目标121，122作为导体迹线。例如，可以针对每个目标121，122使用若干层，并以目标121，122高度对称但彼此电隔离的方式组合它们。通常，目标121，122可以一起共享PCB的所有层，例如，第一目标121的一些段可以实现在与第二目标122的一些段相同的层中，而在两个目标121，122之间没有短路。

例如，在图4所示的实施方式中，目标装置123可包括两个短路导电目标121，122(例如，目标线圈)，该导电目标121，122具有n＝3和m＝4个规则环401至408。例如，导电目标121，122可以实现为印刷电路板(PCB)上的两个线圈，其可以任选地固定到转子120。然后，每个线圈121，122仅有单个金属层就足够了。

根据另一实施方式，第一目标121和第二目标122可由金属片制成，其中部分可被冲压或蚀刻掉-然后金属片的剩余部分可用作目标121，122的导体/导线(例如线圈)。例如，第一导电目标121可由包括具有m重对称的几何形状的金属片制成，例如具有齿和缺口。附加地或可选地，第二导电目标122可由包括具有n重对称的几何形状的金属片制成。

如前所述，不将两个目标121，122彼此隔离，而是将它们短接在一个公共节点410中可能是有利的，这在图4中示例性地示出。换句话说，第一导电目标121和第二导电目标122可以连接到公共电位410，例如接地。这可以避免浮置，因为短路的目标121，122可以包括相同的DC电位。或者换句话说，这仍然避免了流过两个目标121，122的环电流，该环电流可能导致角误差，但是它将两个目标121，122的电位连接在一起。此外，该公共节点410可以电连接到系统地。例如，如果用于使转子120相对于定子110旋转的可旋转轴是导电的，则将公共节点410电连接到所述轴可能是好的。轴通常通过它的轴承接地。如果使用非导电轴承，则可能需要使用一些电刷或弹簧来在可旋转轴和定子110中的接地节点之间进行电接触。

在电磁传感器系统中，让任何金属部件浮置通常是有风险的，因为由于各种效应，例如摩擦，它可能加载到非常高的电位，这给出了大的电场，并且这可能损害附近的电子部件，例如它们可能被损坏，或者大的电场可能导致敏感电子电路的长期漂移。

如果目标121，122是块状金属板，并且用于将目标121，122安装到轴上的安装部分也是金属凸缘，则自动实现与金属可旋转轴的电接触。如果安装部分是某种塑料，则其可包含导电粉末(如石墨)以在目标121，122和轴之间进行电接触，其中仅低导电性可足够。如果目标121，122是PCB上的线圈，则PCB可经由导电装置附接到轴：例如，线圈121，122可包括通向金属螺钉的导线，金属螺钉将PCB固定在轴处。

作为另一示例性实施方式，励磁线圈113可以是旋转对称的，使得目标121，122中的涡流可以不随旋转角而改变。如果励磁线圈113的自感为Le并且两个目标的自感为Lt1，Lt2，并且如果励磁线圈113和第一目标121之间的互感为Me1，且励磁线圈113和第二目标122之间的互感为Me2，并且两目标121，122之间的互感为M12＝sqrt(Lt1×Lt2)×ks，其中ks小但接近1(目标线圈之间的耦合良好，因为它们彼此靠近)，并且如果励磁线圈113中的电流为Ie，第一目标121中的电流为I1，且第二目标122中的电流为I2，则分别成立(如果我们忽略所有电阻损耗)

It1＝Ie×(Me2×sqrt(Lt1)-Me1×sqrt(Lt2))/(2×(1-ks)×Lt1×sqrt(Lt2))

It2＝-Ie×(Me2×sqrt(Lt1)-Me1×sqrt(Lt2))/(2×(1-ks)×Lt2×sqrt(Lt1))

参考图1，图2和图4中所示的实施例，进行了FEM模拟以证明作为本文所述概念基础的上述数学理论。

我们考虑类型(i)“轴向堆叠”的布置。在该FEM模拟中，励磁线圈113在z＝0中具有30毫米的直径。z＝2.5毫米中的3重目标121具有26毫米的外径和8.8毫米的内径(边缘以3毫米半径平滑)。z＝3.0毫米中的4重目标122具有26毫米的外径和9.3毫米的内径(边缘以2毫米半径平滑)。

模拟结果：

Le＝104nH，Lt1＝109.7nH，Lt2＝102nH，Me1＝13.83nH，Me2＝15.4nH，M12＝18.96nH

→IT1/IE＝-0.1，IT2/IE＝-0.13

如预期的那样，较低目标121中的电流较大，因为它更靠近励磁线圈113。目标121，122中的电流大约比励磁线圈113中的电流小10倍。

(注意：不存在目标121，122与拾取线圈111，112的感应耦合，因为互感消失)

如果目标121，122是包括20微米厚、0.1毫米宽的由铜制成的导线的线圈，则它们的电阻大约为0.8欧姆。如果我们把这些导线电阻加入到计算中，电流几乎是相同的。如果我们增加每个目标线圈121，122的匝数，电感增加～n²，而电阻仅增加～n＝>因此，我们可以通过增加匝数来进一步抑制电阻。

如果我们再次忽略电阻并设置M12＝0(即两个目标121，122之间没有感应耦合)，则得到：It1/Ie＝-0.13和It2/Ie＝-0.15。这意味着两个目标121，122的感应耦合将感应电流(并且因此也将拾取线圈111，112中的电压)减小了大约30％。然而，感应式角传感器100提供了明确的360°角检测的附加特征。

图7A，图7B和图7C示出了根据类型(ii)的感应式角传感器100的示例，即具有径向布置的两个目标121，122。例如，如图7A所示，目标装置123可以是具有两个孔环的薄圆形金属板，其中，第一(内)环可以提供第一目标121，并且第二(外)环可以提供第二目标122。内环121可以具有8重对称，并且外环122可以具有9重对称。内黑环601可以是将目标装置123附接到可旋转轴的凸缘。

对应的励磁线圈113可看上去类似于图7B中所示的励磁线圈113。如果所描绘的两个不同分支(深色和浅色)是相邻的圆弧，则所描绘的两个不同分支(深色和浅色)中的电流方向是相同的，而如果它们是相邻的径向段，则电流方向是反平行的。该励磁线圈113的优点在于它是无定向的：它可以在目标装置123的内环121，122和外环122上产生反平行磁场。如果适当地选择环的半径和环的匝数，则可以使励磁线圈113的总磁偶极矩消失。请注意，图7B示出的是每个环(ring)仅有单个环(loops)，但当然可以为每个环添加几个环。

励磁线圈113和目标装置123可以像图7C所示的平面图中所描绘的那样对准。

无论目标121，122是如(ii)中那样径向布置还是如(i)中所述的上述实施例那样轴向布置，混合实施例(未明确示出)都是可能的，其中，一个目标(例如第一目标121)可以是无定向的，且另一个目标(例如第二目标122)可以是非无定向的。例如，无定向第一目标121可以实现为电路板上的无定向导体结构，例如PCB上的线圈或导电迹线。非无定向的第二目标122例如可以包括由金属制成的冲压部件，例如具有交替的齿和缺口。可选地，非无定向的第二目标122可以提供为穿孔盘，或非无定向的任何其它几何形状。

根据这种混合实施方式，目标装置123可以是包括冲压金属部件的非无定向目标122和例如PCB的电路板的组合，其中，无定向目标121可以实现在电路板上。冲压金属部件可以例如通过铆接、粘合、胶合、浇铸、模塑等固定地附接到电路板。

附加地或可选地，由金属制成的冲压部件可以压配合到转子轴上，以使转子120绕旋转轴130旋转。这将允许容易地将包括无定向目标121和非无定向目标122的转子120附接到所述转子轴。因此，如果由金属制成的冲压部件固定地附接到电路板上，则所述压配合还可以允许将电路板(其可以包括无定向目标)附接到转子轴。

如果在这样的混合实施方式中可将无定向目标与非无定向目标组合，则优选将无定向目标(沿旋转轴130的垂直方向)布置在定子110和非无定向目标之间。否则，非无定向目标可将励磁线圈113的AC磁场与无定向目标屏蔽。

根据本文描述的创新原理的感应式角传感器100可提供以下优点：

·感应式角传感器100不需要比传统传感器更多的功率，因为单个励磁线圈113可以为两个目标121，122工作。

·目标121，122也可以是便宜的，因为它不需要用于目标121，122的两个单独的盘，而是两个目标121，122都可以在同一个盘上实现。这使得它便宜、准确且小巧。

·对于局部相位角

和

可能需要两倍的检测工作，但另一方面，可以将它们用作可靠性更高的冗余系统。

·一个大的优点是，在现有技术中，每当必须控制具有3个极对的马达时，就需要具有3重目标和拾取线圈对称的系统，而每当必须控制具有4个极对的马达时，就需要具有专用拾取线圈对称的4重目标。利用本文所述的创新原理，可以制造单个感应式角传感器100(例如，n＝3和m＝4)以获得整个360°上的唯一读数，该读数可以服务于具有任意数目的极对的所有类型的马达。

·目标装置123包括两个目标121，122，它们产生具有360°/n周期性和360°/m周期性的通量。

·拾取线圈111，112可以具有相同的周期，并且它们可以是无定向的

ο因此，拾取线圈111，112可仅对其自身周期性的通量作出响应

ο因此，在周期360°/n和360°/m的两个子系统之间没有串扰

ο因此，我们不需要为两个子系统而不是一个子系统提供更多的空间或功率

ο我们可以使用诺纽斯/游标(nonius/Vernier)原理

·目标121，122可以是非无定向的，因此在两个目标121，122之间可以存在互感。

如上所述，如果目标121，122可以是非无定向的，则在两个目标121，122之间可以存在小的互感。因此，上述概念可以扩展到另外的实施方式，其中转子120可以包括一个或多个无定向目标121，122。对于无定向的定义，参照上面关于无定向拾取线圈111a，111b，112a，112b的定义。例如，可以借助于具有如上文相对于无定向拾取线圈111a，111b，112a，112b所述的绕组的无定向线圈来提供无定向目标。

图8示出了感应式角传感器100的示例性实施方式，该感应式角传感器100包括具有无定向目标装置123的转子120，并且包括具有无定向拾取线圈装置111的定子110。

如可以看到的，定子110可以包括励磁线圈113和至少一个拾取线圈装置111，拾取线圈装置111包括m重对称。在该示例中，拾取线圈装置111包括m＝3的3重对称。如上所述，拾取线圈装置111可包括第一拾取线圈111a(例如余弦)和第二拾取线圈111b(例如正弦)。第一拾取线圈111a和第二拾取线圈111b可以包括m重对称，例如3重对称。对于3重拾取线圈，第一拾取线圈111a和第二拾取线圈111b可以绕旋转轴130相对于彼此旋转90°/m，m＝3。

转子120可以包括目标装置123，目标装置123包括至少第一导电目标121，该第一导电目标121具有与至少一个拾取线圈装置111的m重对称相对应的m重对称。在该示例中，第一导电目标121具有m＝3的3重对称。此外，根据该方面，目标装置123，特别是第一导电目标121是无定向的。

转子120可以额外包括次级线圈124。励磁线圈113可以用作匹配的初级线圈。励磁线圈113可以例如通过振荡器800被馈入交流电，用于将感应电流感应耦合到次级线圈124中，如初级线圈113和次级线圈124之间的双箭头所示。无定向线圈(目标线圈和拾取线圈)彼此之间或与次级和初级线圈之间没有任何相互耦合。

次级线圈124可以为目标装置123供电。因此，次级线圈124可以与目标装置123电耦合，并且特别是与第一导电目标121电耦合，使得感应电流在第一导电目标121中产生具有周期性为360°/m的磁通量。周期性为360°/m的磁通量又在具有m重对称的至少一个拾取线圈装置111中感应出感应信号S_i1。

感应式角传感器100还可以包括用于基于感应信号S_i1确定转子120的旋转位置的信号分析设备140。由于拾取线圈装置111可包括第一拾取线圈111a和第二拾取线圈111b，例如用于产生如上文参考图3A所述的余弦和正弦信号，因此可如上文参考图3B所述计算局部感应式角

然后可以根据所述局部感应式角

计算转子120的机械旋转角。

励磁线圈113(初级线圈)和次级线圈124之间的耦合使得耦合在两个线圈113，124之间的电能相对于转子120的位置基本恒定。例如，励磁线圈113和次级线圈124可以包括圆形形状。附加地或可选地，励磁线圈113和次级线圈124可以相对于旋转轴130居中。

在上述实施例中(图1至图7C)，电能从励磁线圈113直接传递到目标装置123中。在那里，它产生了具有特定角模式的涡流，即具有k重对称。由这些涡旋产生的次级磁场产生感应信号S_i1，S_i2，这些感应信号S_i1，S_i2由具有相同角k重对称的拾取线圈装置111，112检测。

参考图8和下面描述的实施方式可以将“励磁线圈113和目标装置123之间的电能传输”和“产生k重对称的角图案”这两个动作分成由单独的部件执行的单独的过程。然后这些部件可以针对它们的单一目的而被优化，并且这增加了角传感器100的性能。

如图8所示，第一导电目标121可包括目标线圈，该目标线圈包括在环域中沿360°整个回转布置的数量为2×m个环401至406(此处为6个环)，其中，相邻的环具有相反的绕组方向。

类似于上面关于无定向拾取线圈111，112描述的实施例，无定向目标线圈可以包括第一组环和第二组环，第一组环包括具有第一回转方向的所有环，第二组环包括具有相反第二回转方向的所有环。第一组环可以跨越第一区域，且第二组环可以跨越第二区域，其中，目标线圈的第一区域和第二区域可以相同，使得导电目标121是无定向的。

另外，相应的拾取线圈装置111也可以任选地是无定向的，如上所述。然而，也可能对应的拾取线圈装置111可以是非无定向的。此外，包括无定向目标装置123的这个实施方式也可以与上述游标原理相结合。

图9示出了感应式角传感器100的示例，所述感应式角传感器100包括无定向目标装置123，所述无定向目标装置123包括第一无定向导电目标121和第二无定向导电目标122。第一无定向导电目标121和第二无定向导电目标122可沿旋转轴130垂直堆叠。另外，角传感器100可任选地包括无定向的第一拾取线圈装置111和无定向的第二拾取线圈装置112。

为了可见性起见，仅示出了第一拾取线圈装置111和第二拾取线圈装置112的余弦拾取线圈111a，112a。实际上，可以存在如以上实施例中所描述的另外两个拾取线圈，即正弦拾取线圈111b，112b。

根据该示例性实施方式，定子110可包括第二拾取线圈装置112，该第二拾取线圈装置112包括n重对称，其中，n小于m，并且优选地其中，m和n不同并且除了1之外不具有公约数。

目标装置123可以包括第二导电目标122，第二导电目标122包括与上述第二拾取线圈装置112的n重对称相对应的n重对称。

次级线圈124可以与第二导电目标122电耦合，使得感应电流在第二导电目标122中产生周期性为360°/n的磁通量。周期性为360°/n的磁通量在具有n重对称的第二拾取线圈装置112中感应出另一感应信号S_i2。

信号分析设备140可以被配置为基于在第二拾取线圈装置112中感应的另一感应信号S_i2来确定第二导电目标122的旋转位置。

第二导电目标122可以是无定向的。如可以看到的，第二导电目标122可以包括第二目标线圈，该第二目标线圈包括在环域中沿360°整个回转装置的数量为2×n个环901至904，其中，相邻的环具有相反的绕组方向。

第二目标线圈可包括第一组环和第二组环，第一组环包括具有第一回转方向的所有环，第二组环包括具有相反的第二回转方向的所有环。第一组环可以跨越第一区域，且第二组环可以跨越第二区域，其中，第二目标线圈的第一区域和第二区域可以相同，使得第二导电目标122是无定向的。

另外，相应的第二拾取线圈装置112也可以任选地是无定向的，如上所述。然而，也可能对应的第二拾取线圈装置112可以是非无定向的。

如上所述，该实施方式的目标装置123可以是无定向的(＝有差别的)。特别地，第一导电目标121和第二导电目标122中的至少一个可以是无定向的。这意味着冲击在导电目标121，122上的任何均匀磁场给出通过它的零净通量。如果该场是时变的，则在目标121，122中不感应电压。此外，两个目标121，122之间的互感消失。同样，任何目标121，122和次级线圈124之间的互感消失。同样，任何目标121，122与励磁线圈113之间的互感消失。

这与不具有无定向目标的角传感器不同，在不具有无定向目标的角传感器中，当一个变化的磁场冲击目标时，它会在目标中产生涡流，并且在附近的两个目标之间会产生感应耦合(即互感)。

由于该实施方式在两个目标121，122之间没有感应耦合，因此它们不干扰，即它们之间没有串扰。此外，无定向目标121，122更不容易受到外部干扰场的影响。如果无定向目标121，122具有完美的几何形状，则外部干扰场将根本不会在无定向目标121，122中产生任何感应电流。

由于该实施方式在初级线圈113和任何目标线圈121，122之间没有感应耦合，次级线圈124可以接管该任务，因为次级线圈124可以具有到初级线圈113的最大感应耦合。因此，次级线圈124可以向目标121，122提供电能。

根据实施方式，初级线圈113，124和次级线圈124之间的感应耦合在旋转期间可以是恒定的，即它们的互感M12可以不依赖于转子120的旋转角。这确保针对所有旋转位置向目标121，122提供恒定的电能。

无定向目标121，122的另一个优点是它们更类似于相应的拾取线圈装置111，112，这改进了它们的感应耦合。

如上所述，如果目标121，122可以包括线圈，则它们可以通过线圈的绕组的形状而被制成无定向的。例如，在n重对称的目标线圈中，导线跨越2×n个环，这些环可以被分组为两组。如果我们沿着导线走，对于第一组的环，这些环跨越的区域在左手边，且对于第二组的环，环跨越的区域在右手边。如果每组的所有环的跨越面积之和相同，则线圈是无定向的。在示例性实施方式中，对于n重对称的线圈，所有环可以在形状上相同，并且相对于彼此旋转180°/n的整数倍，并且环是非重叠的，并且相邻环可以在它们之间留下尽可能小的空隙。因此，2×n个环几乎覆盖了环形区域的整个360°。两个相邻的环可以被分组为一对。那么我们有n对。每对中的两个环具有相等面积，但绕组方向相反，因此通过两个线圈的均匀磁通量由于每个线圈中的符号不同而被抵消。在示例性实施方式中，所有对可以在形状上相同。

根据实施方式，目标线圈121，122可以实现为PCB上的导电迹线。其它制造方法可提供冲压或蚀刻并堆叠有间隙隔离层的金属板。

如上所述，第一导电目标121和第二导电目标122可以沿旋转轴130彼此垂直堆叠。这些垂直堆叠的目标121，122的垂直高度可以非常小，例如，如果导电目标121，122可以包括PCB中的薄金属层或作为薄金属层提供，这些金属层可以在十分之一毫米的范围内彼此隔开。

如图9所示，目标装置123，特别是目标121，122可由次级线圈124通电。例如，两个目标121，122可以跨次级线圈124的端子串联连接。因此，从次级线圈124中的初级线圈113感应的整个电流也流过两个目标121，122。可选地，还可以并联连接次级线圈124和两个目标121，122。然后，由次级线圈124提供的电流根据它们的阻抗在两个目标121，122之间被分流。

然而，系统可能要复杂得多。例如，可以在次级线圈124和目标121，122之间提供电子电路。

图10示出了根据创新原理的感应式角传感器100的示例。根据该实施方式，转子120可进一步包括电路1000，该电路1000电连接在次级线圈124和目标装置123之间，用于为目标装置123供电，其中，电路1000可被配置为操纵由次级线圈124接收的感应电流并向目标装置123提供操纵电流。

电路1000可以安装在转子120上，并且电路可以通过次级线圈124接收其功率。电路1000可包括整流器以将ac功率转换成dc电压。它还可以包括锁相环或分频器或振荡器、带隙电路、功率放大器、阻抗匹配结构。因此，它可以以与定子110中的振荡器800不同的频率并且还以各个目标121，122的不同频率来操作目标121，122。这对于进一步减少励磁(初级)线圈113、目标121，122和拾取线圈装置111，112之间的感应和/或电容性串扰可能是有利的。

总而言之，定子110和转子120之间的感应耦合可以由初级线圈(励磁线圈)113和次级线圈124提供。由于初级线圈113，124和次级线圈124都可以包括圆形形状，因此可以不依赖于旋转角。目标121，122可以由次级线圈124供电，特别是如果目标121，122是无定向的。在这种情况下，在目标121，122之间可以没有感应耦合。因此，可以高度提高感应式角传感器100的功率效率。

因此，实施例可提供包括次级线圈124、可选电路和转子120上的一个或多个目标121，122的感应式角传感器100。感应式角传感器100还可以包括初级线圈113、拾取线圈111，112以及定子110上的可选电路1000。初级线圈113可在次级线圈124中感应涡流/电压。次级线圈124可以向转子电路供电。转子电路可包括至少一个目标121。定子电路1000可检测响应于来自目标111，112的磁场而在拾取线圈111，112中感应的电压。定子电路1000可导出转子120的旋转位置。

励磁线圈113、第一导电目标121、第二导电目标122、第一拾取线圈装置111、第二拾取线圈装置112、第一拾取线圈111a、第二拾取线圈111b、第三拾取线圈112a和第四拾取线圈112b中的至少一个可以包括平面线圈或作为平面线圈提供。

虽然已经在装置的上下文中描述了一些方面，但是很清楚，这些方面也表示对应方法的描述，其中块或设备对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面也表示对应装置的对应块或项或特征的描述。

例如，以下实施例涉及如本文所述的操作感应式角传感器的方法。

在第一方法相关的实施方式中，建议了一种用于操作感应式角传感器100的方法，该方法包括：

提供定子110和转子120，所述定子110和转子120可沿旋转轴130相对于彼此旋转运动，

定子110包括励磁线圈113、第一拾取线圈装置121和第二拾取线圈装置122，

其中，所述第一拾取线圈装置121包括m重对称，并且其中，所述第二拾取线圈装置122包括n重对称，

其中m和n是不同的并且除了1之外没有公约数，

其中，转子120包括目标装置123，目标装置123包括第一导电目标121和第二导电目标122，第一导电目标121和第二导电目标122沿旋转轴130垂直堆叠，第一导电目标121包括与第一拾取线圈装置111的m重对称相对应的m重对称，第二导电目标122包括与第二拾取线圈装置112的n重对称相对应的n重对称，

用交流电激励励磁线圈113，该交流电在第一导电目标121中感应第一感应电流，从而产生周期性为360°/m的第一磁通量，并且在第二导电目标122中感应第二感应电流，从而产生周期性为360°/n的第二磁通量，

其中，周期性为360°/m的第一磁通量在具有m重对称的第一拾取线圈装置111中感应第一感应信号S_i1，并且周期性为360°/n的第二磁通量在具有n重对称的第二拾取线圈装置112中感应第二感应信号S_i2，并且

基于第一感应信号S_i1和第二感应信号S_I2确定转子120的旋转位置。

根据可与第一方法相关实施方式组合的第二方法相关实施方式，该方法可包括基于来自第一导电目标121的第一感应信号S_i1确定第一角

以及基于来自第二导电目标122的第二感应信号S_i2确定第二角

的步骤，以及

其中，该方法包括进一步的步骤，该步骤根据游标原理确定转子120相对于定子110的明确机械旋转角φ，该机械旋转角φ是根据

作为第一角φ’m和第二角φ’n的函数。

根据第三种与方法相关的实施方式，建议了一种用于操作感应式角传感器100的方法，该方法包括：

提供定子110和转子120，所述定子110和转子120绕旋转轴130相对于彼此可旋转运动，

定子110包括励磁线圈113和至少一个包括m重对称的拾取线圈装置111，

所述转子120包括次级线圈124和目标装置123，所述目标装置123包括至少第一导电目标121，所述第一导电目标121具有与至少一个拾取线圈装置111的m重对称相对应的m重对称，用交流电流激励励磁线圈113以将感应电流感应耦合到次级线圈124中，

其中，次级线圈124与目标装置123电耦合，并且特别是与第一导电目标121电耦合，使得感应电流在第一导电目标121中产生周期性为360°/m的磁通量，

其中，所述周期性为360°/m的磁通量在具有m重对称的所述至少一个拾取线圈装置111中感应出感应信号S_i1，并且

基于所述感应信号S₁确定所述转子120的旋转位置，其中，所述第一导电目标121是无定向的。

上述与方法相关的实施例都可与本文描述的其它实施例和特征组合。特别地，第一和第二方法相关实施例可以与权利要求1至17中要求的特征组合，而第三方法相关实施方式可以与权利要求19至27中要求的特征组合。

虽然已经参考说明性实施例描述了本公开，但是本描述并不旨在以限制性的意义来解释。通过参考描述，本领域技术人员对说明性实施例以及本公开的其它实施例的各种修改和组合将是显而易见的。因此，所附权利要求包含任何这样的修改或实施例。

参考标号

100 感应式角传感器

110 定子

111 第一拾取线圈装置

111a 第一拾取线圈(余弦)

111b 第二拾取线圈(正弦)

112 第二拾取线圈装置

112A 第三拾取线圈(余弦)

112b 第四拾取线圈(正弦)

113 励磁线圈(初级线圈)

120 转子

121 第一导电目标

122 第二导电目标

123 目标装置

124 次级线圈

130 旋转轴

140 信号分析设备

149 齿

150 缺口

151 缺口

152 齿

401至408 单环

800 振荡器

901至904 无定向目标的单环

1000 电路

S_I1 第一感应信号

S_i2 第二感应信号

Claims

1.一种感应式角传感器(100)，包括

定子(110)和转子(120)，能够绕旋转轴(130)相对于彼此旋转运动，

所述定子(110)包括励磁线圈(113)、第一拾取线圈装置(111)和第二拾取线圈装置(112)，

其中所述第一拾取线圈装置(111)包括m重对称，并且其中所述第二拾取线圈装置(112)包括n重对称，其中所述m重对称或n重对称分别意味着形状能够绕轴旋转360°×x/m或360°×x/n，使得它看起来相同，其中x是任意整数；

其中m和n是不同的并且除了1之外没有公约数，

其中所述转子(120)包括目标装置(123)，所述目标装置(123)包括第一导电目标(121)和第二导电目标(122)，所述第一导电目标(121)和所述第二导电目标(122)沿所述旋转轴(130)被垂直堆叠，所述第一导电目标(121)包括与所述第一拾取线圈装置(111)的m重对称相对应的m重对称，并且所述第二导电目标(122)包括与所述第二拾取线圈装置(112)的n重对称相对应的n重对称，

其中所述励磁线圈(113)能够用交流电励磁，所述交流电在所述第一导电目标(121)中感应第一感应电流，产生周期性为360°/m的第一磁通量，并且在所述第二导电目标(122)中感应第二感应电流，产生周期性为360°/n的第二磁通量，

其中周期性为360°/m的所述第一磁通量在具有m重对称的所述第一拾取线圈装置(111)中感应第一感应信号(Si1)，并且周期性为360°/n的所述第二磁通量在具有n重对称的所述第二拾取线圈装置(112)中感应第二感应信号(S_i2)，以及

信号分析设备(140)，用于基于所述第一感应信号(Si1)和所述第二感应信号(Si2)确定所述转子(120)的旋转位置；

其中所述第一导电目标(121)和所述第二导电目标(122)中的至少一个是无定向的；

其中包括n重对称的所述第二拾取线圈装置(112)在0°至360°范围内对磁通量进行积分，从而消除所有不同于n重对称的磁通量图案。

2.根据权利要求1所述的感应式角传感器(100)，

其中所述第一拾取线圈装置(111)包括第一拾取线圈(111a)和第二拾取线圈(111b)，所述第一拾取线圈(111a)和所述第二拾取线圈(111b)中的每一个具有m重对称。

3.根据权利要求2所述的感应式角传感器(100)，

其中所述第一拾取线圈(111a)和所述第二拾取线圈(111b)中的每一个包括在环域中沿360°整个回转布置的数目为2×m个环，其中相邻的环具有相反的绕组方向。

4.根据权利要求2或3所述的感应式角传感器(100)，

其中所述第一拾取线圈(111a)和所述第二拾取线圈(111b)中的每一个包括第一组环和第二组环，在所述第一组环中，每个环包括第一回转方向，在所述第二组环中，每个环包括相反的第二回转方向，

其中所述第一组环跨越第一区域，并且其中所述第二组环跨越第二区域，并且

其中所述第一拾取线圈(111a)的所述第一区域和所述第二区域是相同的，使得所述第一拾取线圈(111a)是无定向的，并且/或者

其中所述第二拾取线圈(111b)的所述第一区域和所述第二区域是相同的，使得所述第二拾取线圈(111b)是无定向的。

5.根据权利要求2或3所述的感应式角传感器(100)，

其中所述第一拾取线圈(111a)和所述第二拾取线圈(111b)绕所述旋转轴(130)相对于彼此旋转90°/m。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的感应式角传感器(100)，

其中所述第二拾取线圈装置(112)包括第三拾取线圈(112a)和第四拾取线圈(112b)，所述第三拾取线圈(112a)和所述第四拾取线圈(112b)中的每一个具有n重对称。

7.根据权利要求6所述的感应式角传感器(100)，

其中所述第三拾取线圈(112a)和所述第四拾取线圈(112b)中的每一个包括在环域中沿360°整个回转布置的数目为2×n个环，其中相邻的环具有相反的绕组方向。

8.根据权利要求6所述的感应式角传感器(100)，

其中所述第三拾取线圈(112a)和所述第四拾取线圈(112b)中的每一个包括第一组环和第二组环，在所述第一组环中，每个环包括第一回转方向，在所述第二组环中，每个环包括相反的第二回转方向，

其中所述第一组环跨越第一区域，并且其中所述第二组环跨越第二区域，以及

其中所述第三拾取线圈(112a)的所述第一区域和所述第二区域是相同的，使得所述第三拾取线圈(112a)是无定向的，并且/或者

其中所述第四拾取线圈(112b)的所述第一区域和所述第二区域是相同的，使得所述第四拾取线圈(112b)是无定向的。

9.根据权利要求6所述的感应式角传感器(100)，

其中所述第三拾取线圈(112a)和所述第四拾取线圈(112b)绕所述旋转轴(130)相对于彼此旋转90°/n。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的感应式角传感器(100)，

其中所述励磁线圈(113)和所述第一拾取线圈装置(111)和所述第二拾取线圈装置(112)布置在公共基板上。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的感应式角传感器(100)，

其中所述第一导电目标(121)和所述第二导电目标(122)被固定安装在公共基板上，所述公共基板被附接到转子轴，所述转子轴用于使所述转子(120)绕所述旋转轴(130)旋转。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的感应式角传感器(100)，

其中所述第一导电目标(121)和所述第二导电目标(122)中的至少一个被实现为所述转子(120)的基板部分上的导电迹线。

13.根据权利要求1至3中任一项所述的感应式角传感器(100)，

其中所述第一导电目标(121)由包括具有m重对称的几何形状的金属片制成，并且/或者其中所述第二导电目标(122)由包括具有n重对称的几何形状的金属片制成。

14.根据权利要求1至3中任一项所述的感应式角传感器(100)，

其中所述第一导电目标(121)和所述第二导电目标(122)中的一个是非无定向的并且包括由金属制成的冲压部件，并且所述第一导电目标(121)和所述第二导电目标(122)中的另一个是无定向的并且被实现为电路板上的无定向导体结构。

15.根据权利要求14所述的感应式角传感器，

其中所述电路板附接到由金属制成的所述冲压部件，并且/或者其中，由金属制成的所述冲压部件被压配合到转子轴上，所述转子轴用于使所述转子(120)绕所述旋转轴(130)旋转。

16.根据权利要求1至3中任一项所述的感应式角传感器(100)，

其中所述第一导电目标(121)和所述第二导电目标(122)被连接到公共电位。

17.根据权利要求1至3中任一项所述的感应式角传感器(100)，

其中所述信号分析设备(140)被配置为基于来自所述第一导电目标(121)的所述第一感应信号(S_i1)确定第一角

以及基于来自所述第二导电目标(122)的所述第二感应信号(S_i2)确定第二角

以及

其中所述信号分析设备(140)还被配置为根据游标原理确定所述转子(120)相对于所述定子(110)的明确的机械旋转角

所述机械旋转角

是根据

的所述第一角

和所述第二角

的函数。

18.一种感应式角传感器(100)，包括

定子(110)和转子(120)，能够沿旋转轴(130)相对于彼此旋转运动，

所述定子(110)包括励磁线圈(113)和包括m重对称的至少一个拾取线圈装置(111)，其中所述m重对称意味着形状能够绕轴旋转360°×x/m，使得它看起来相同，其中x是任意整数；

所述转子(120)包括次级线圈(124)和目标装置(123)，所述目标装置(123)包括至少第一导电目标(121)，所述第一导电目标(121)具有与所述至少一个拾取线圈装置(111)的m重对称相对应的m重对称，

其中所述励磁线圈(113)能够用交流电励磁，以将感应电流感应耦合到所述次级线圈(124)中，

其中所述次级线圈(124)与所述第一导电目标(121)电耦合，使得所述感应电流在所述第一导电目标(121)中产生周期性为360°/m的磁通量，

其中周期性为360°/m的所述磁通量在具有m重对称的所述至少一个拾取线圈装置(111)中感应出感应信号(Si1)，以及

信号分析设备(140)，用于基于所述感应信号(Si1)确定所述转子(120)的旋转位置，

其中所述第一导电目标(121)是无定向的；

其中所述定子(110)包括第二拾取线圈装置(112)，所述第二拾取线圈装置(112)包括n重对称，其中n小于m，其中所述n重对称意味着形状能够绕轴旋转360°×x/n，使得它看起来相同，其中x是任意整数；并且

19.根据权利要求18所述的感应式角传感器(100)，

其中所述第一导电目标(121)包括目标线圈，所述目标线圈包括在环域中沿360°整个回转布置的数目为2×m个环，其中相邻的环具有相反的绕组方向。

20.根据权利要求19所述的感应式角传感器(100)，

其中所述目标线圈包括第一组环和第二组环，在所述第一组环中，每个环包括第一回转方向，在所述第二组环中，每个环包括相反的第二回转方向，

其中所述目标线圈的所述第一区域和所述第二区域是相同的，使得所述第一导电目标(121)是无定向的。

21.根据权利要求18至20中任一项所述的感应式角传感器(100)，

其中所述至少一个拾取线圈装置(111)是无定向的。

22.根据权利要求18至20中任一项所述的感应式角传感器(100)，

其中所述目标装置(123)包括第二导电目标(122)，所述第二导电目标(122)包括与所述第二拾取线圈装置(112)的n重对称相对应的n重对称，

其中所述次级线圈(124)与所述第二导电目标(122)电耦合，使得所述感应电流在所述第二导电目标(122)中产生周期性为360°/n的磁通量，

其中周期性为360°/n的所述磁通量在具有n重对称的所述第二拾取线圈装置(112)中感应另一感应信号(S_i2)，

其中所述信号分析设备(140)被配置为基于在所述第二拾取线圈装置(112)中感应的所述另一感应信号(S_i2)来确定所述第二导电目标(122)的旋转位置，

其中所述第二导电目标(122)是无定向的。

23.根据权利要求22所述的感应式角传感器(100)，

其中所述第二导电目标(122)包括第二目标线圈，所述第二目标线圈包括在环域中沿360°整个回转布置的数目为2×n个环，其中相邻的环具有相反的绕组方向。

24.根据权利要求23所述的感应式角传感器(100)，

其中所述第二目标线圈包括第一组环和第二组环，在所述第一组环中，每个环包括第一回转方向，在所述第二组环中，每个环包括相反的第二回转方向，

其中所述第一组环跨越第一区域，以及其中所述第二组环跨越第二区域，以及

其中所述第二目标线圈的所述第一区域和所述第二区域是相同的，使得所述第二导电目标(122)是无定向的。

25.根据权利要求22所述的感应式角传感器(100)，

其中所述第二拾取线圈装置(112)是无定向的。

26.根据权利要求18至20中任一项所述的感应式角传感器(100)，

其中所述转子(120)还包括电路(1000)，所述电路(1000)电连接在所述次级线圈(124)和所述目标装置(123)之间，用于为所述目标装置(123)供电，其中所述电路(1000)被配置为操纵由所述次级线圈(124)接收的感应电流并向所述目标装置(123)提供操纵电流。