CN113865478B - 一种提升感应式角度传感器信号强度的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了提升感应式角度传感器信号强度的装置和方法，该装置由LCC‑S谐振耦合电路模块、全差分运算放大电路模块、可调相移检波电路模块组成，LCC‑S谐振耦合电路模块包括定子模块和转子模块，该方法为，感应式角度传感器内部微处理器产生的方波信号经过LCC‑S谐振耦合电路模块产生激励信号，同时激励信号在转子模块上产生脉诊气息磁场，通过脉诊气息磁场耦合产生带有角度位置的两路差分电信号；通过全差分运算放大电路模块进行提取放大；再通过可调相移检波电路模块进行检波和滤波，即可获取去掉了载波信号的正余弦信号vS＝Vssin(θm)、vc＝Vccos(θm)以用于后续角度运算。通过该方法可增大感应式角度传感器信号强度，提升感应式角度传感器的抗干扰能力及可靠性。
Description
技术领域
本发明属于信号模拟与测试技术领域，特别是一种提升感应式角度传感器信号强度的装置和方法。
背景技术
感应式角度传感器主要通过解算平面线圈互感耦合信号以获取角度位置信号，因此传感器耦合信号强度对传感器的精度、抗干扰能力、可靠性等指标具有较大影响。目前耦合信号主要受定子激励信号强度、检波方式的影响。传统的感应式角度传感器采用串联-串联(S-S)谐振拓扑传输激励信号，由于感应式角度传感器定子激磁线圈和转子拾取线圈的互感相对较小，漏感较大，激磁信号传输功率因数较小，转子接收到的激励信号较弱，使得最终定子耦合的信号也较弱。同时传统的感应式角度传感器采取上拉电路提取高频感应信号并进行固定相移的乘法器检波，而上拉电阻的分压及检波信号与耦合信号的相位不匹配将会进一步削弱感应信号的强度，并且后续电路需要较高倍数的放大，导致感应式角度传感器的抗干扰能力降低，受温度影响较大。
发明内容
本发明所要解决的问题是针对现有技术的不足，提出一种采用LCC-S谐振耦合电路、全差分运算放大电路以及可调相移检波电路相结合以提升感应式角度传感器信号强度的装置。
本发明所要解决的问题是针对现有技术的不足，提出一种设计合理，利用上述装置以提升感应式角度传感器信号强度的方法。
本发明是一种提升感应式角度传感器信号强度的装置，其特点是，由实现该方法的电路由LCC-S谐振耦合电路模块、全差分运算放大电路模块、可调相移检波电路模块组成，
定子模块由谐振信号发射电路和位置信号接收电路组成，谐振信号发射电路为由电感L1、L2、L3及电容C1、C2、C3组成的LCC谐振发射电路，电感L1依次通过电容C3、电感L3与电感L2连接，电容C1通过线路连接在电感L1与电容C3之间的电路上，电容C2通过线路连接在电感L3与电感L2之间的电路上
所述定子模块的谐振信号发射电路由电感L1、L2、L3及电容C1、C2、C3组成LCC谐振发射电路，谐振频率为f＝wc/2π，电感L3由定子激磁发射线圈构成。定子模块的谐振信号发射电路将感应式角度传感器内部微处理器产生的差分方波信号
进行谐振并通过电感L3向外传输。
转子模块由电感L4及电容C4串联而成的谐振接收电路，谐振频率为f＝wc/2π，电感L4由转子激磁拾取线圈构成。转子模块的谐振接收电路经过谐振耦合产生产生激励信号vr＝Vosin(ωct+α)，激磁信号在电感L4上产生一个脉诊气息磁场。而定子模块的位置信号接收部分由正弦接收线圈SIN及余弦接收线圈COS组成，其中，正弦接收线圈通过转子模块的脉诊气息磁场耦合产生带有角度位置的差分电信号vS1+＝Vs1sin(θm)sin(ωct+α)、vS1-＝-Vs1sin(θm)sin(ωct+α)。而余弦接收线圈COS通过转子模块的脉诊气息磁场耦合产生带有角度位置的差分电信号vc1+＝Vc1cos(θm)sin(ωct+α)、vc1-＝-Vc1cos(θm)sin(ωct+α)；
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，所述的全差分运算放大电路模块包括两路全差分信号放大电路。其中，第一路全差分信号放大电路包括差分放大器U1及R1、R2、R3、R4四个电阻组成，第一路全差分信号放大电路将正弦信号vS1+＝Vs1sin(θm)sin(ωct+α)、vS1-＝-Vs1sin(θm)sin(ωct+α)进行放大和直流电平偏置获得放大后的信号vS2+＝Vs2sin(θm)sin(ωct+α)+Vref、vS2-＝-Vs2sin(θm)sin(ωct+α)+Vref.第二路全差分信号放大电路包括差分放大器U2及R5、R6、R7、R8四个电阻组成，第二路全差分信号放大电路将余弦信号vc1+＝Vc1cos(θm)sin(ωct+α)、vc1-＝-Vc1cos(θm)sin(ωct+α)进行放大和直流电平偏置获得放大后的信号vc2+＝Vc2cos(θm)sin(ωct+α)+Vref、vc2-＝-Vc2cos(θm)sin(ωct+α)+Vref.
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，所述的可调相移检波电路模块包括开关检波电路和信号滤波电路，其中开关检波电路由模拟开关U3、U4组成，模拟开关的控制信号为感应式角度传感器内部微处理器产生的另外一路方波信号方波的相位可以根据激励信号vr＝Vosin(ωct+α)的相位进行匹配调节。所述的全差分信号放大电路输出信号的经过模拟开关U3、U4进行乘法检波后输出信号为：
所述的信号滤波电路包括第一信号滤波电路和第二信号滤波电路。其中第一信号滤波电路为电感L5、L6及电容C5、C6组成的二阶低通滤波器。第二路信号滤波电路为电感L7、L8及电容C7、C8组成的二阶低通滤波器。第一、第二信号滤波电路分别对模拟开关U3、U4输出的信号进行滤波可获得信号通过对滤波电路输出的正余弦信号进行解算即可获得感应式角度传感器的机械角度。
一种提升感应式角度传感器信号强度的方法，其特点是，该方法为，感应式角度传感器内部微处理器产生的方波信号经过LCC-S谐振耦合电路模块由电感L3传输到电感L4，电感L4经过谐振耦合电路产生激励信号，同时激励信号在转子模块上产生脉诊气息磁场，定子线圈上的正弦接收线圈SIN和余弦接收线圈COS通过脉诊气息磁场耦合产生带有角度位置的两路差分电信号；通过全差分运算放大电路模块对定子线圈耦合的两路差分信号进行提取放大；通过可调相移检波电路模块对放大后的两路差分信号进行检波和滤波，即可获取去掉了载波信号的正余弦信号vS＝Vssin(θm)、vc＝Vccos(θm)以用于后续角度运算。
与现有技术相比，本发明的显著优点有：(1)本发明采用LCC-S的谐振拓扑传输激励信号，相比传统的串联-串联谐振拓扑具有更高的传输效率，激励信号的强度更高。(2)本发明采用全差分运算放大电路提取线圈耦合信号，减小了传统上拉电阻提取线圈耦合信号对信号的削弱作用。(3)本发明采用的可调相移检波方法，相比传统的固定相依检波方式更能够匹配耦合信号的相位，获得更高强度的信号。
该方法通过LCC-S谐振拓扑提升激励信号的传输效率，增大定子激励信号幅值；通过全差分放大提取原始差分耦合信号，避免对耦合信号的削弱；同时通过可调相移的检波以使得的检波信号的相位与耦合信号匹配从而提升信号强度。通过该方法可增大感应式角度传感器信号强度，提升感应式角度传感器的抗干扰能力及可靠性。
附图说明
图1为本发明的整体电路原理框图；
图2为本发明的LCC-S谐振耦合电路模块原理框图；
图3为本发明的全差分运算放大模块原理框图；
图4为本发明可调相移检波模块示原理框图；
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1，一种提升感应式角度传感器信号强度的方法，该方法细分为以下三个模块：LCC-S谐振耦合电路模块、全差分运算放大电路模块、可调相移检波电路模块。LCC-S谐振耦合电路模块接受传感器内部微处理器产生的差分方波信号 经过谐振耦合后输出带有角度位置的两路差分电信号vS1+＝Vs1sin(θm)sin(ωct+α)、vS1-＝-Vs1sin(θm)sin(ωct+α)及vc1+＝Vc1cos(θm)sin(ωct+α)、vc1-＝-Vc1cos(θm)sin(ωct+α)。全差分运算放大电路模块对LCC-S谐振耦合电路模块输出的差分信号进行提取、放大和直流电平偏置，输出放大后的信号vS2+＝Vs2sin(θm)sin(ωct+α)+Vref、vS2-＝-Vs2sin(θm)sin(ωct+α)+Vref及vc2+＝Vc2cos(θm)sin(ωct+α)+Vref、vc2-＝-Vc2cos(θm)sin(ωct+α)+Vref.全差分运算放大电路模块输出的放大信号经过可调相移检波电路模块进行检波，输出与角度位置相关的直流信号以用于后续角度位置解算。
实施例2，参考图2，所述的LCC-S谐振耦合电路模块包括定子模块及转子模块，其中定子模块由谐振信号发射电路及位置信号接收部分组成。谐振信号发射电路由电感L1、L2、电感L3及电容C1、C2、C3组成，位置信号接收部分由正弦接收线圈SIN(也指平面PCB接收线圈SIN)及余弦接收线圈COS(也指平面PCB接收线圈COS)组成，而转子模块由电感L4和电容C4组成，电感L3和电感L4均采用平面PCB线圈。其中，电感L1的一端接微处理器的输出信号另外一端与电容C2、电感L3、电感L2依次串联，电感L2的另外一端接微处理器的输出信号/>电容C1的一端接地，另外一端接在电感L1与C2之间。电容C2的一端接地，另外一端接在L2与L3之间。电感L1、L2、L3及电容C1、C2、C3共同组成LCC谐振电路，谐振频率为f＝wc/2π。电感L4与电容C4组成串联谐振电路。电感L4接收电感L3发出的谐振磁场，并感应出激励信号vr＝Vosin(ωct+α)，同时激励信号在平面PCB线圈电感L4上产生脉诊气息磁场。平面PCB接收线圈SIN及平面PCB接收线圈COS耦合脉诊气息磁场后分别输出差分电信号vS1+＝Vs1sin(θm)sin(ωct+α)、vS1-＝-Vs1sin(θm)sin(ωct+α)及vc1+＝Vc1cos(θm)sin(ωct+α)、vc1-＝-Vc1cos(θm)sin(ωct+α)。
实施例3，参考图3，所述的全差分运算放大电路模块包括两路全差分信号放大电路。第一路全差分信号放大电路由差分放大器U1及电阻R1、R2、R3、R4组成，第二路全差分信号放大电路由差分放大器U2及电阻R5、R6、R7、R8组成。所述的电阻R1一端接正弦接收线圈SIN输出的正弦信号vS1+＝Vs1sin(θm)sin(ωct+α)，另一端接差分放大器U1的正向输入端，电阻R2一端接差分放大器U1的正向输入端，另外一端接差分放大器U1的反向输出端。所述的电阻R3一端接正弦接收线圈SIN输出的正弦信号vS1-＝-Vs1sin(θm)sin(ωct+α)，另一端接差分放大器U1的反向输入端，电阻R4一端接差分放大器U1的正向输入端，另外一端接差分放大器U1的正向输出端。差分放大器U1的直流偏执端接输出直流电平Vref。正弦接收线圈SIN输出的差分正弦信经过第一路全差分信号放大电路后输出vS2+＝Vs2sin(θm)sin(ωct+α)+Vref、vS2-＝-Vs2sin(θm)sin(ωct+α)+Vref。所述的电阻R5一端接余弦接收线圈COS输出的余弦信号vc1+＝Vc1cos(θm)sin(ωct+α)，另一端接差分放大器U2的正向输入端，电阻R6一端接差分放大器U2的正向输入端，另外一端接差分放大器U2的反向输出端。所述的电阻R7一端接余弦接收线圈COS输出的余弦信号vc1-＝-Vc1cos(θm)sin(ωct+α)，另一端接差分放大器U2的反向输入端，电阻R8一端接差分放大器U2的正向输入端，另外一端接差分放大器U2的正向输出端。差分放大器U2的直流偏执端接输出直流电平Vref，余弦接收线圈COS输出的差分余弦信经过第一路全差分信号放大电路后输出vc2+＝Vc2cos(θm)sin(ωct+α)+Vref、vc2-＝-Vc2cos(θm)sin(ωct+α)+Vref.
实施例4，参考图4，所述的可调相移检波电路包括开关检波电路和信号滤波电路，其中开关检波电路由模拟开关U3、U4组成。模拟开关U3的输入端接第一路差分电路输出的信号vS2+＝Vs2sin(θm)sin(ωct+α)+Vref、vS2-＝-Vs2sin(θm)sin(ωct+α)+Vref。模拟开关U3的控制端接感应式角度传感器内部微处理器产生的另外一路方波信号方波的相位可以根据激励信号vr＝Vosin(ωct+α)的相位进行匹配调节。模拟开关U4的输入端接第二路差分电路输出的信号vc2+＝Vc2cos(θm)sin(ωct+α)+Vref、vc2-＝-Vc2cos(θm)sin(ωct+α)+Vref.。模拟开关U4的控制端同样接方波信号/>差分输入信号的经过模拟开关U3、U4进行乘法检波后输出信号为：
所述的信号滤波电路包括第一信号滤波电路和第二信号滤波电路。第一信号滤波电路由L5、L6及电容C5、C6组成，电感L5一端接U3的输出端，另一端接电感L6；电容C5一端接地，另一端接在L5、L6的中间；电容C6一端接地，另一端接在L6的输出端；第二信号滤波电路由L7、L8及电容C7、C8组成，电感L7一端接U4的输出端，另一端接电感L8；电容C7一端接地，另一端接在L7、L8的中间；电容C8一端接地，另一端接在L8的输出端；模拟开关检波后的信号经过两路低通滤波电路后可以去掉高频信号，获得与角度位置相关的直流信号
Claims (7)
1.一种提升感应式角度传感器信号强度的装置，其特征在于，该装置由LCC-S谐振耦合电路模块、全差分运算放大电路模块、可调相移检波电路模块组成，
所述的LCC-S谐振耦合电路模块包括定子模块和转子模块，
定子模块由谐振信号发射电路和位置信号接收电路组成，谐振信号发射电路为由电感LI、L2、L3及电容C1，C2、C3组成的LCC谐振发射电路，电感L1依次通过电容C3、电感L3与电感L2连接，电容C1通过线路连接在电感L1与电容C3之间的电路上，电容C2通过线路连接在电感L3与电感L2之间的电路上；
转子模块为由电感L4和电容C4串联而成的谐振接收电路；
定子模块的位置信号接收电路由正弦接收线圈SIN和余弦接收线圈COS组成，电感L3与正弦接收线圈SIN和余弦接收线圈COS共同构成了定子线圈。
2.根据权利要求1所述的一种提升感应式角度传感器信号强度的装置，其特征在于，所述的全差分运算放大电路模块包括第一路全差分信号放大电路和第路全差分信号放大电路，
第一路全差分信号放大电路包括差分放大器U1及电阻R1、R2、R3、R4四个电阻组成，电阻R1与差分放大器U1的正输入端连接，电阻R3与差分放大器U1的负输入端连接，电阻R2连接在差分放大器U1的正输入端与正输出端之间，电阻R4连接在差分放大器UI的负输入端与负输出端之间；
第二路全差分信号放大电路包括差分放大器U2及R5、R6、R7、R8四个电阻组成，电阻R5与差分放大器U2的正输入端连接，电阻R7与差分放大器U2的负输入端连接，电阻R6连接在差分放大器U2的正输入端与正输出端之间，电阻R8连接在差分放大；器U2的负输入端与负输出端之间。
3.根据权利要求1所述的一种提升感应式角度传感器信号强度的装置，其特征在于，所述的可调相移检波电路模块包括开关检波电路和信号滤波电路，开关检波电路由模拟开关U3和模拟开关U4组成，所述的信号滤波电路包括第一信号滤波电路和第二信号滤波电路，其中，第一信号滤波电路为由电感L5、L6及电容C5、C6组成的二阶低通滤波器，第二路信号滤波电路为由电感L7、L8及电容C7、C8组成的二阶低通滤波器。
4.一种利用权利要求1-3任一项所述装置来提升感应式角度传感器信号强度的方法，基特征在于，该方法为，感应式角度传感器内部微处理器产生的方波信号经过LCC-S谐振耦合电路模块由电感L3传输到电感L4，电感L4经过谐振耦合电路产生激励信号，同时激励信号在转子模块上产生脉诊气息磁场，定子线圈上的正弦接收线圈SIN和余弦接收线圈COS通过脉诊气息磁场耦合产生带有角度位置的两路差分电信号；通过全差分运算放大电路模块对定子线圈耦合的两路差分信号进行提取放大；通过可调相移检波电路模块对放大后的两路差分信号进行检波和滤波，即可获取去掉了载波信号的正弦信号vs＝Vssin(θm)、余弦信号vc＝Vccos(θm)以用于后续角度运算，其中，θm为感应式角度传感器的机械角度。
5.根据权利要求4所述的一种提升感应式角度传感器信号强度的方法，其特征在于，所述定子模块的谐振信号发射电路的谐振频率为f＝wc/2π，电感L3由定子激磁发射线圈构成，转子模块的谐振频率为f＝wc/2π，wc为谐振信号的角频率，电感L4由转子激磁拾取线圈构成。
6.根据权利要求4所述的一种提升感应式角度传感器信号强度的方法，其特征在于，所述的全差分运算放大电路模块的工作过程为，第一路全差分信号放大电路将从正弦接收线圈SIN获得的正弦信号vS1+、vS1-进行放大和直流电平偏置获得放大后的信号vS2+、vS2-，第二路全差分信号放大电路将从余弦接收线圈COS获得的余弦信号vc1+、vc1-进行放大和直流电平偏置获得放大后的信号va2+、vc2-。
7.根据权利要求4所述的一种提升感应式角度传感器信号强度的方法，其特征在于，所述的可调相移检波电路模块的工作过程为，全差分信号放大电路模块输出信号经过模拟开关U3、U4进行乘法检波后输出信号vS4vC4，第一、第二信号滤波电路分别对模拟开关U3、U4输出的信号进行滤波可获得正弦信号余弦信号/>其中，Vref为经过滤波后的正弦信号或余弦信号的偏置电压，通过对滤波电路输出的正弦信号或余弦信号进行解算即可获得感应式角度传感器的机械角度。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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