CN113739692B - 一种基于m序列的平面感应式绝对角度传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于M序列的平面感应式绝对角度传感器，该传感器包括定子部分和转子部分，定子部分包括定子壳体、定子线圈板和解算板，定子线圈板上设置有粗通道激励信号发射线圈、粗通道信号接收线圈、精通道激励信号发射线圈和精通道信号接收线圈；转子部分包括转子壳体和转子线圈板，转子线圈板上设置有粗通道敷铜区域和精通道敷铜区域；在转子部分转动时，由于电涡流效应的影响，粗通道信号接收线圈和精通道接收线圈感应的电信号发生周期变化，对粗通道信号接收线圈和精通道接收线圈感应的电信号进行解算，即可获得转子部分转动的绝对角度。

Description

一种基于M序列的平面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，特别是一种基于M序列的平面感应式绝对角度传感器。

背景技术

平面感应式角度传感器是一种采用印刷电路板制作的传感器，该类型传感器既具有测量精度高、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。

目前平面感应式角度传感器采用粗精通道组合的游标编码方式以获取绝对位置，而游标编码方式需要传感器的粗精通道的精度误差不能超过纠错范围，但是随着传感器的精通道极对数的增加，纠错范围呈指数减小，因而对传感器的安装以及粗精通道信号的细分处理的要求也越来越高。而在实际使用过程中难以达到该安装及细分要求，导致平面感应式角度传感器使用过程中容易出现角度跳变的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种设计合理、安装要求低、数据可靠、信号强度高的基于M序列的平面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。本发明是一种基于M序列的平面感应式绝对角度传感器该传感器包括定子部分和转子部分，定子部分包括定子壳体、定子线圈板和解算板，定子线圈板上设置有粗通道激励信号发射线圈、粗通道信号接收线圈、精通道激励信号发射线圈和精通道信号接收线圈；

转子部分包括转子壳体和转子线圈板，转子线圈板上设置有粗通道敷铜区域和精通道敷铜区域；

在转子部分转动时，由于电涡流效应的影响，粗通道信号接收线圈和精通道接收线圈感应的电信号发生周期变化，对粗通道信号接收线圈和精通道接收线圈感应的电信号进行解算，即可获得转子部分转动的绝对角度。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的基于M序列的平面感应式绝对角度传感器，定子线圈板和转子线圈板均基于PCB设计，定子线圈板包括粗精两个通道，其中粗通道包括k组粗通道激励信号发射线圈及k组粗通道信号接收线圈，精通道包括一组精通道激励信号发射线圈、两组2^k周期的精通道信号接收线圈；

转子线圈板也包括粗精两个通道，两个通道均采用敷铜处理，其中精通道共有2^k块敷铜区域及2^k块不敷铜区，粗通道共有2^k-1块敷铜区域及2^k-1块不敷铜区；

所述解算板包括电源电路、激励信号产生电路、粗通道信号处理电路、精通道信号处理电路、AD采集电路、微处理器、数字接口电路。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的基于M序列的平面感应式绝对角度传感器，所述定子线圈板和转子线圈板安装时保持同心，转子线圈板的粗通道覆盖定子线圈的粗通道，转子线圈板的精通道覆盖定子线圈的精通道。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的基于M序列的平面感应式绝对角度传感器，解算板的激励信号产生电路发出高频激励信号，激励信号经过定子部分的粗、精通道发射线圈产生脉动磁场，而定子部分的接收线圈接收脉动磁场，产生交流信号；

在转子部分进行转动时，转子部分的敷铜区域受脉动磁场影响产生电涡流效应，导致定子接收线圈产生的交流信号幅值发生改变。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的基于M序列的平面感应式绝对角度传感器，在转子转动时，定子部分的k组粗通道信号接收线圈的信号经过解算板的粗通道信号处理电路处理获得K路的方波信号，微处理器读取该方波信号以获得K位的M序列编码，通过对该编码进行解码即可获得区间位置

定子部分的两组精通道信号接收线圈的信号经过解算板的精通道信号处理电路处理获得两路正余弦变化的电压信号Vsinα、Vcosα，微处理器通过AD采集电路采集两路电压信号，并通过反正切法即可求得正余弦电压信号的相位角α；

将区间位置与精通道的相位角α进行组合即可获得转子转动的高精度绝对角度θ。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的基于M序列的平面感应式绝对角度传感器，该传感器的粗通道信号发射线圈外围还加装有两个用于平衡磁场强度的发射线圈；

该传感器的精通道信号接收线圈还增加有两组2^k周期的线圈，新增加的接收线圈与原来的接收线圈在空间上相差并且与原来的两组接收线圈分别进行反相连接。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的基于M序列的平面感应式绝对角度传感器，所述k组粗通道信号接收线圈的接收区域划分为内外圈两个区域，并将两个区域的线路进行反相连接，内外圈两个区域受到脉动磁场的影响产生相位相反的电压信号，两个信号叠加在一起即可消除信号的直流电平；

同时转子的粗通道也划分为两个区域，其中外圈区域的敷铜块按照M序列进行排列，而内圈的敷铜块按照反相的M序列进行排列；

当转子敷铜区域覆盖着粗通道接收线圈时，粗通道接收线圈的内外圈两个区域受到相反的电涡流影响，保证粗通道的接收线圈产生的电压信号能够随转子的转动而变化。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的基于M序列的平面感应式绝对角度传感器，所述传感器的粗通道采用双读数结构，两组读数结构在空间上相差

当其中一组读数结构处于临界状态时，另一组读数结构处于稳定状态，而微处理器根据精通道接收线圈的电压信号Vsinα、Vcosα的相位来选择读取哪一组读数结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)传感器采用M编码方式以获取绝对位置，对安装要求更低，可以获得更高的精通道极对数及精度；

(2)传感器使用PCB制作，结构简单，生产成本低、便于批产；

(3)传感器的粗通道采用无直流偏执的双读数线圈结构，数据更可靠；

(4)传感器的精通道采用差分结构，信号的强度更高。

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重叠示意图；

图6为本发明的改进版定子线圈示意图；

图7为本发明的改进版转子线圈示意图；

图8为本发明改进版的定子线圈与转子线圈的重叠示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，参考图1-5，一种基于M序列的平面感应式绝对角度传感器，该传感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、定子线圈板、解算板，转子部分包括转子壳体、转子线圈板；

传感器的定子线圈板和转子线圈板都是基于PCB设计的，定子线圈板包括粗精两个通道，其中粗通道包括k组粗通道激励信号发射线圈E1、E2...Ek及k组粗通道信号接收线圈R1、R2...Rk，每组粗通道的发射线圈及接收线圈的宽度为而精通道包括一组精通道激励信号发射线圈Ex、两组2^k周期的精通道信号接收线圈Rsin、Rcos，两组信号接收线圈为在空间上相差/>的正余弦形状的线圈；

传感器的转子线圈板包括包括粗精两个通道，两个通道均采用敷铜处理，其中精通道共有2^k块敷铜区域及2^k块不敷铜区，每块敷铜区域与不敷铜区的宽度均为并相互间隔排列在圆周上；粗通道共有2^k-1块敷铜区域及2^k-1块不敷铜区，每块敷铜区域与不敷铜区的宽度均为/>并且粗通道敷铜区域按照k位的M序列编码方式排列在圆周上；

定子线圈板和转子线圈板安装时保持同心，保证转子线圈板的粗通道可以覆盖定子线圈的粗通道，而转子线圈板的精通道可以覆盖定子线圈的精通道。

传感器的解算板包括电源电路、激励信号产生电路、粗通道信号处理电路、精通道信号处理电路、AD采集电路、微处理器、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，激励信号经过定子部分的粗、精通道发射线圈产生脉动磁场，而定子部分的接收线圈接收脉冲磁场，产生交流信号；同时转子部分进行转动，转子敷铜区域受脉动磁场影响产生电涡流效应，该电涡流效应将导致定子接收线圈产生的交流信号幅值发生改变。

在转子转动时，定子部分的k组粗通道信号接收线圈的信号经过解算板的粗通道信号处理电路可以获得K路的方波信号，微处理器读取该方波信号以获得K位的M序列编码，通过对该编码进行解码即可获得区间位置定子部分的两组精通道信号接收线圈的信号经过解算板的精通道信号处理电路可以获得两路正余弦变化的电压信号Vsinα、Vcosα，微处理通过AD采集电路采集两路电压信号，并通过反正切法即可求得正余弦电压信号的相位角α。将区间位置/>与精通道的相位角α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-5，一种基于M序列的平面感应式绝对角度传感器，该传感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、定子线圈板、解算板，转子部分包括转子壳体、转子线圈板。

传感器的定子线圈板和转子线圈板都是基于PCB设计的，定子线圈板包括粗精两个通道，其中粗通道包括4组粗通道激励信号发射线圈E1、E2...E4及4组粗通道信号接收线圈R1、R2...R4，每组粗通道的发射线圈及接收线圈的宽度为22.5°；而精通道包括一组精通道激励信号发射线圈Ex、两组2^k周期的精通道信号接收线圈Rsin、Rcos，两组信号接收线圈为在空间上相差5.625°的正余弦形状的线圈；所述的粗精通道信号发射线圈、接收线圈的匝数可以根据所需信号的强度进行增加或减少。

传感器的转子线圈板包括包括粗精两个通道，两个通道均采用敷铜处理，其中精通道共有16块敷铜区域及16块不敷铜区，每块敷铜区域与不敷铜区的宽度均为11.25°，并相互间隔排列在圆周上；粗通道共有8块敷铜区域及8块不敷铜区，每块敷铜区域与不敷铜区的宽度均为22.5°，并且粗通道敷铜区域按照4位的M序列编码方式排列在圆周上，即0000111101011001，其中“0”表示敷铜区域，“1”表示不敷铜区。

定子线圈板和转子线圈板安装时保持同心，保证转子线圈板的粗通道可以覆盖定子线圈的粗通道，而转子线圈板的精通道可以覆盖定子线圈的精通道。

传感器的解算板包括电源电路、激励信号产生电路、粗通道信号处理电路、精通道信号处理电路、AD采集电路、微处理器、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粗、精通道发射线圈产生脉动磁场，而定子部分的接收线圈接收脉冲磁场，产生交流信号；同时转子部分进行转动，转子敷铜区域受脉动磁场影响产生电涡流效应，该电涡流效应将导致定子接收线圈产生的交流信号幅值发生改变。

在转子逆时针转动时，定子部分的4组粗通道信号接收线圈的信号经过解算板的粗通道信号处理电路可以获得4路的方波信号，微处理器读取该方波信号以获得4位的M序列编码，通过对该编码进行解码即可获得区间位置

区间位置与4组粗通道信号接收线圈R1、R2、R3、R4读取的M序列关系如表1所示：

表1区间位置与4位的M序列关系

而定子部分的两组精通道信号接收线圈的信号经过解算板的精通道信号处理电路可以获得两路正余弦变化的电压信号Vsinα、Vcosα，微处理通过AD采集电路采集两路电压信号，并通过反正切法即可求得正余弦电压信号的相位角α；将区间位置与精通道的相位角α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6、图7、图8，一种基于M序列的平面感应式绝对角度传感器，该传感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、定子线圈板、解算板，转子部分包括转子壳体、转子线圈板；

传感器的定子线圈板和转子线圈板都是基于PCB设计的，定子线圈板包括粗精两个通道，其中粗通道包括12组粗通道激励信号发射线圈E1...E8、Ec1...Ec4及4组粗通道信号接收线圈R1...R8，线圈E1...E8、Ec1...Ec的宽度均为22.5°，线圈R1...R8分别位于线圈E1...E8中间，而线圈Ec1...Ec4分别位于E1、E4、E5、E8的旁边；线圈E1...E4、Ec1...Ec2、R1...R4与E5...E8、Ec3...E4、R5...R8分别在空间上相差191.25°；同时线圈R1...R8的接收区域被划分为内外圈两个区域，两个区域的线路也采用反相连接。

所述传感器的精通道包括一组精通道激励信号发射线圈Ex、两组16周期的精通道信号接收线圈Rsin、Rcos，两组信号接收线圈Rsin、Rcos由在空间上相差5.625°的四路16周期的正余弦形状的线圈组成，其中第一路与第三路线圈反相串联构成精通道信号接收线圈Rsin，而第二路与第四路线圈反相串联构成精通道信号接收线圈Rsin。

传感器的转子线圈板包括包括粗精两个通道，两个通道均采用敷铜处理，其中精通道共有16块敷铜区域及16块不敷铜区，每块敷铜区域与不敷铜区的宽度均为11.25°，并相互间隔排列在圆周上；粗通道由内外两圈组成，内外两圈各自拥有8块敷铜区域及8块不敷铜区，每块敷铜区域与不敷铜区的宽度均为22.5°；粗通道内外两圈分别按照1111000010100110及0000111101011001进行敷铜，其中“0”表示敷铜区域，“1”表示不敷铜区。

定子线圈板和转子线圈板安装时保持同心，保证转子线圈板的粗通道可以覆盖定子线圈的粗通道，而转子线圈板的精通道可以覆盖定子线圈的精通道。

传感器的解算板包括电源电路、激励信号产生电路、粗通道信号处理电路、精通道信号处理电路、AD采集电路、微处理器、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，激励信号经过定子部分的粗、精通道发射线圈产生脉动磁场，而定子部分的接收线圈接收脉冲磁场，产生交流信号；同时转子部分进行转动，转子敷铜区域受脉动磁场影响产生电涡流效应，该电涡流效应将导致定子接收线圈产生的交流信号幅值发生改变。

在转子逆时针转动时，定子部分的8组粗通道信号接收线圈的信号经过解算板的粗通道信号处理电路可以获得8路的方波信号，两组精通道信号接收线圈的信号经过解算板的精通道信号处理电路可以获得两路正余弦变化的电压信号Vsinα、Vcosα；

微处理通过AD采集电路采集两路电压信号Vsinα、Vcosα，并根据其相位来选择读取R1...R4或者R5...R8以获得4位的M序列编码，通过对该编码进行解码即可获得区间位置同时微处理器通过反正切法即可求得正余弦电压信号Vsinα、Vcosα的相位角α；将区间位置/>与精通道的相位角α进行组合可获得转子转动的高精度绝对角度θ。

Claims (5)

1.一种基于M序列的平面感应式绝对角度传感器，其特征在于：该传感器包括定子部分和转子部分，定子部分包括定子壳体、定子线圈板和解算板，定子线圈板上设置有粗通道激励信号发射线圈、粗通道信号接收线圈、精通道激励信号发射线圈和精通道信号接收线圈；

转子部分包括转子壳体和转子线圈板，转子线圈板上设置有粗通道敷铜区域和精通道敷铜区域；

在转子部分转动时，由于电涡流效应的影响，粗通道信号接收线圈和精通道接收线圈感应的电信号发生周期变化，对粗通道信号接收线圈和精通道接收线圈感应的电信号进行解算，即可获得转子部分转动的绝对角度；

定子线圈板和转子线圈板均基于PCB设计，定子线圈板包括粗精两个通道，其中粗通道包括k组粗通道激励信号发射线圈及k组粗通道信号接收线圈，精通道包括一组精通道激励信号发射线圈、两组2^k周期的精通道信号接收线圈；

转子线圈板也包括粗精两个通道，两个通道均采用敷铜处理，其中精通道共有2^k块敷铜区域及2^k块不敷铜区，粗通道共有2^k-1块敷铜区域及2^k-1块不敷铜区；

所述解算板包括电源电路、激励信号产生电路、粗通道信号处理电路、精通道信号处理电路、AD采集电路、微处理器、数字接口电路；

在转子转动时，定子部分的k组粗通道信号接收线圈的信号经过解算板的粗通道信号处理电路处理获得K路的方波信号，微处理器读取该方波信号以获得K位的M序列编码，通过对该编码进行解码即可获得区间位置

定子部分的两组精通道信号接收线圈的信号经过解算板的精通道信号处理电路处理获得两路正余弦变化的电压信号Vsinα、Vcosα，微处理器通过AD采集电路采集两路电压信号，并通过反正切法即可求得正余弦电压信号的相位角α；

将区间位置与精通道的相位角α进行组合即可获得转子转动的高精度绝对角度θ；

所述传感器的粗通道采用双读数结构，两组读数结构在空间上相差

当其中一组读数结构处于临界状态时，另一组读数结构处于稳定状态，而微处理器根据精通道接收线圈的电压信号Vsinα、Vcosα的相位来选择读取哪一组读数结构。

2.根据权利要求1所述的基于M序列的平面感应式绝对角度传感器，其特征在于：所述定子线圈板和转子线圈板安装时保持同心，转子线圈板的粗通道覆盖定子线圈的粗通道，转子线圈板的精通道覆盖定子线圈的精通道。

3.根据权利要求1所述的基于M序列的平面感应式绝对角度传感器，其特征在于：解算板的激励信号产生电路发出高频激励信号，激励信号经过定子部分的粗、精通道发射线圈产生脉动磁场，而定子部分的接收线圈接收脉动磁场，产生交流信号；

在转子部分进行转动时，转子部分的敷铜区域受脉动磁场影响产生电涡流效应，导致定子接收线圈产生的交流信号幅值发生改变。

4.根据权利要求1所述的基于M序列的平面感应式绝对角度传感器，其特征在于：该传感器的粗通道信号发射线圈外围还加装有两个用于平衡磁场强度的发射线圈；

该传感器的精通道信号接收线圈还增加有两组2^k周期的线圈，新增加的接收线圈与原来的接收线圈在空间上相差并且与原来的两组接收线圈分别进行反相连接。

5.根据权利要求1所述的基于M序列的平面感应式绝对角度传感器，其特征在于：所述k组粗通道信号接收线圈的接收区域划分为内外圈两个区域，并将两个区域的线路进行反相连接，内外圈两个区域受到脉动磁场的影响产生相位相反的电压信号，两个信号叠加在一起即可消除信号的直流电平；

同时转子的粗通道也划分为两个区域，其中外圈区域的敷铜块按照M序列进行排列，而内圈的敷铜块按照反相的M序列进行排列；

当转子敷铜区域覆盖着粗通道接收线圈时，粗通道接收线圈的内外圈两个区域受到相反的电涡流影响，保证粗通道的接收线圈产生的电压信号能够随转子的转动而变化。