CN113984093A - 电感式位置传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电感式位置传感器，该电感式位置传感器包括至少一个发射线圈、绝对位置接收线圈对、高分辨率位置接收线圈对和导电移动目标，其中绝对位置接收线圈对和高分辨率接收线圈对一起限定了电感式位置传感器的测量区域，并且移动目标可以在该测量区域中移动，其中绝对位置线圈对具有第一正弦接收线圈和第一余弦接收线圈，两者在电感式位置传感器的测量区域之上具有一个周期；其中高分辨率位置接收线圈对具有第二正弦接收线圈和第二余弦接收线圈，两者在电感式位置传感器的测量区域之上具有至少两个周期；绝对位置接收线圈对和高分辨率位置接收线圈对被布置在电感式位置传感器的印刷电路板的相同区域中。

Description

电感式位置传感器
技术领域
本发明涉及包括至少一个发射线圈、绝对位置接收线圈对、高分辨率位置接收线圈对，以及导电移动目标的电感式位置传感器。本发明还涉及对这种电感式位置传感器的使用。
背景技术
电感式位置传感器非常受欢迎，因为它们能够抵抗环境影响。特别是对于贯穿轴应用，电感式传感器很有吸引力，因为线圈设计的设计灵活性容易允许适应例如同轴和离轴位置感测应用。
这些益处是许多工业或汽车应用的一大优势。但是对于工业或机器人应用，通常需要更高的输出分辨率，而只有一个绝对电感式位置传感器无法做到这一点。此外，一些汽车应用需要绝对高分辨率的传感器，例如转向传感器或轮毂牵引电机传感器。
电感式位置传感器设置通常由外壳内的传感器印刷电路板(PCB)和移动到传感器附近的导电目标组成。
传感器PCB包括信号调节和处理单元，以及与ASIC连接的传感器线圈系统，信号调节和处理单元通常是专用集成电路(ASIC)。
传感器线圈系统由一个或多个发射线圈和一个或多个接收线圈组成。
通常，存在一个发射器线圈和两个接收器线圈。两个接收器线圈被布置为使得针对旋转位置传感器的目标的每360°的机械旋转，一个接收器线圈生产正弦信号，并且另一个接收器线圈生成余弦信号。该配置提供了目标的绝对位置(绝对实施例)。通过在360°范围内增加接收器线圈图案的数目和适当的目标配置，可以通过生成与正弦和余弦信号重复的物理重复次数相等数目的信号重复，来提高每次旋转测量的机械精度和分辨率(多周期实施例)。相反，通过使用这种方法，目标的绝对位置丢失。
通常，现有技术的传感器可以通过使用两个单独的绝对传感器和增量传感器以及单独的目标或者通过使用彼此相邻的两个单独的线圈系统来实现，但是这种实现方式具有相当高的空间要求。
单独传感器的缺点是例如：更厚的传感器、2xPCB、2xtarget、连接到评估单元(MCU)的附加布线导致更高的成本。单独的线圈彼此相邻的缺点是：PCB的尺寸(成本)、缩小尺寸的机会有限。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供如下的电感式位置传感器，该电感式位置传感器提供了绝对和高分辨率的位置数据并且需要最小的印刷电路板上的空间。
根据本发明，该目的通过包括至少一个发射线圈、绝对位置接收线圈对、高分辨率位置接收线圈对和导电移动目标的电感式位置传感器来解决，
其中绝对位置接收线圈对和高分辨率接收线圈对一起限定了电感式位置传感器的测量区域，并且移动目标可以在该测量区域内移动，
其中绝对位置线圈对具有第一正弦接收线圈和第一余弦接收线圈，两者在电感式位置传感器的测量区域之上具有一个周期，
其中高分辨率位置接收线圈对具有第二正弦接收线圈和第二余弦接收线圈，两者在电感式位置传感器的测量区域之上具有至少两个周期，
其特征在于，
绝对位置接收线圈对和高分辨率位置接收线圈对被布置在电感式位置传感器的印刷电路板的相同区域内。
本发明描述了将较低分辨率绝对传感器与高分辨率增量传感器组合的新方法。通常，只需将绝对电感式位置传感器与增量式高分辨率位置传感器组合使用，但是该方法需要大量空间，这通常是不可用。
本发明关于创新式实施例，创新式实施例包括将绝对位置传感器与多周期高分辨率传感器重叠，以在不丢失绝对位置的情况下提高机械精度和分辨率。因此，可以设计出高精度、高分辨率的绝对传感器。
根据本发明的新实现方式在相同的PCB面积处并入了绝对和高分辨率线圈。
其益处是例如：
-在更小的空间内实现：1xPCB、1xtarget、评估单元可以位于相同PCB上，更容易物理地进行缩小；
-可用于同轴、贯穿轴和侧轴应用；
-可以实现冗余；
-对环境影响的高稳健性；
-抗杂散磁场；
-与没有高分辨率线圈的绝对位置传感器相比，输出分辨率更高。
根据本发明的一个变型，电感式位置传感器是径向位置传感器并且测量区域是360°圆。
根据本发明的一个备选变型，电感式传感器是线性位置传感器并且测量区域是直线。
在一个优选变型中，电感式位置传感器包括信号处理单元，用于向至少一个发射线圈提供信号、和/或用于处理绝对位置接收线圈对和高分辨率接收线圈对的信号。信号处理单元与电感式位置传感器布置在相同印刷电路板上或者被外接至电感式位置传感器的印刷电路板。
传感器配置可以与不同的目标配置一起使用。实现方式的性能在很大程度上与目标配置相关。
在本发明的有利变型中，导电目标包括彼此间隔开的多个区段。优选地，导电移动目标的多个区段具有相同的形状和/或间距。
根据本发明的一个优选变型，移动目标包括至少一个第一目标元件和至少一个第二目标元件，其中至少一个第一目标元件的形状与至少一个第二目标元件的形状不同。至少一个第一目标元件和至少一个第二目标元件优选地被布置在公共衬底、例如印刷电路板上。例如，第一目标元件和/或第二目标元件包括多个区段。
在根据本发明的径向电感式位置传感器的特别优选的变型中，由至少一个第一目标元件覆盖的径向面积，特别是至少一个第一目标元件的每个区段的径向面积在径向方向上恒定，即，每个区段的宽度从中心到径向外侧恒定增加。
根据本发明的一个变型，至少一个第一目标元件、特别是至少一个第一目标元件的多个区段，覆盖电感式位置传感器的整个测量区域或者电感式位置传感器中未被至少一个第二目标元件覆盖的测量区域。
根据本发明的一个变型，至少一个第二目标元件覆盖电感式位置传感器的测量区域的一部分。优选地，至少一个第二目标元件具有半圆形、全环形的弧段、矩形或箭头形。
在根据本发明的径向电感式位置传感器的特别优选的变型中，由至少一个第二目标元件覆盖的径向面积在径向方向上变化，即，例如至少一个第二目标元件的宽度在径向方向上恒定(矩形)或者以不同于径向覆盖面积的速率变化(箭头)。
根据本发明的一个变型，至少一个第一目标元件和至少一个第二目标元件彼此相邻布置或者彼此至少部分地重叠。
在本发明的另一变型中，至少一个第一目标元件和至少一个第二目标元件完全重叠但具有不同的尺寸。具体地，一个目标元件比另一目标元件更大，使得较大的目标元件完全覆盖较小的目标元件。
本发明还涉及将根据本发明的电感式位置传感器与根据本发明的另一电感式位置传感器或任何其他位置传感器一起使用，来计算诸如扭矩、诊断信息或误差补偿的其他输出信号。
附图说明
以下将结合附图中所示的实施例来进一步解释本发明。附图示出了：
图1是根据本发明的电感式位置传感器的第一实施例的示意图；
图2是根据本发明的电感式位置传感器的第二实施例的示意图；
图3是导电移动目标的第一实施例；
图4是导电移动目标的第二实施例；
图5是导电移动目标的第三实施例；
图6是导电移动目标的第四实施例；
图7是导电移动目标的第五实施例；
图8是导电移动目标的第六实施例；
图9是导电移动目标的不同实施例的性能比较；
图10是根据本发明的电感式位置传感器在信号处理之后的输出；以及
图11是根据本发明的电感式位置传感器的第三实施例的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的电感式位置传感器1的第一实施例的示意图。电感式位置传感器1包括发射线圈2、绝对位置接收线圈对3、4、高分辨率接收线圈对5、6和导电移动目标7。绝对位置接收线圈对3、4和高分辨率接收线圈对5、6一起限定了电感式位置传感器1的测量区域，并且移动目标7可以在该测量区域内移动。图1所示的第一实施例是指径向电感式位置传感器1，并且测量区域为360°圆。
绝对位置线圈对3、4具有第一正弦接收线圈3和第一余弦接收线圈4，两者3、4在电感式位置传感器1的测量区域之上具有一个周期。
高分辨率位置接收线圈对5、6具有第二正弦接收线圈5和第二余弦接收线圈6，两者5、6在电感式位置传感器1的测量区域之上具有至少两个周期。根据如图1所示的实施例，第二正弦接收线圈5和第二余弦接收线圈6各自在测量区域之上具有8个周期。
根据本发明，绝对位置接收线圈对3、4和高分辨率位置接收线圈对5、6被布置在电感式位置传感器1的印刷电路板8的相同区域中。
图1所示的电感式位置传感器1还包括信号处理单元9，用于向至少一个发射线圈2提供信号，并且用于处理绝对位置接收线圈对3、4和高分辨率接收线圈对5、6的信号。根据图1所示的实施例，信号处理单元9被外部连接到电感式位置传感器1的印刷电路板8。在本发明的一个备选实施例中，信号处理单元9与电感式位置传感器1被布置在相同印刷电路板8上。信号处理单元9和发射线圈2、绝对位置接收线圈对3、4和高分辨率接收线圈对5、6之间的连接被编号为与相应的线圈相同。
在使用图1所示的电感式位置传感器1期间，信号处理单元9向发射线圈2提供励磁电流，发射线圈2由于励磁电流而创建电磁场。导电移动目标7位于发射线圈2所创建的电磁场内部，并且因此由于感应到导电移动目标7中的涡电流而修改电磁场。绝对位置接收线圈对3、4和高分辨率接收线圈对5、6可以感测由于导电移动目标7和导电移动目标7的位置而引起的电磁场的变化。绝对位置接收线圈对3、4和高分辨率接收线圈对5、6的信号被信号处理单元9用于确定导电移动目标7在测量区域中的绝对位置和高分辨率位置。
图2示出了根据本发明的电感式位置传感器1的第二实施例的示意图。图2所示的第二实施例与图1所示的第一实施例的不同之处在于，电感式位置传感器包括两个发射线圈2，并且第二正弦接收线圈5和第二余弦接收线圈6在测量区域之上各自具有32个周期。否则，第二实施例对应于第一实施例。
高分辨率绝对传感器1的实现方式具有32周期接收线圈对5、6、绝对1x360度接收线圈对3、4、两个单独的发射器线圈2以及具有使用12位信号采集的两个电感式位置传感器IC(未示出)的信号处理单元9，理论分辨率为32x12位，即131072计数或17位。
众所周知，传感器线性度会根据系统配置和容差而降低。
图2中示出了高分辨率绝对传感器1的实现方式，高分辨率绝对传感器1具有32周期接收线圈对5、6、1x360绝对接收线圈对3、4以及一个共享信号处理单元9。
通常，目标必须被设计为针对高分辨率接收线圈对5、6和绝对位置接收线圈对3、4生成信号。容差范围内的精度和稳健性将与目标配置相关。以下是一些实现方式示例。
图3示出了导电移动目标7的第一实施例。导电移动目标7包括彼此间隔开的多个区段12。导电移动目标7的多个区段12具有相同的形状和间距。增量n周期传感器目标7的一个或多个部分被去除，以在1周期绝对位置接收线圈对3、4上生成足够的信号。
图4示出了导电移动目标7的第二实施例。图4示出了衬底的上侧和下侧，其中一侧包括第一目标元件10而另一侧包括第二目标元件11，其中第一目标元件10的形状不同于至少一个第二目标元件11的形状。具体地，第一目标元件10包括彼此间隔开的多个区段12。导电移动目标7的多个区段12具有相同的形状和间距并且覆盖构建导电移动目标7的圆形衬底的整个圆周。因此，第一目标元件10的多个区段12覆盖了电感式位置传感器1的整个测量区域。第二目标元件11具有半圆形形状并且在导电移动目标7的圆形衬底的半圆之上。当图4示出了相同导电移动目标7的相同衬底的两侧时，导电移动目标7的第一元件10和第二元件11彼此重叠。因此，图4示出了针对n周期接收线圈对5、6的高分辨率区段12，以及针对1周期绝对位置接收线圈对3、4的堆叠目标11。
图5示出了导电移动目标7的第三实施例。图5所示的导电移动目标7的第三实施例与图4所示的导电移动目标7的第二实施例的不同之处在于：第二元件11具有全环弧段的形状，第二元件11与包括区段12的第一元件10布置在相同侧上。此外，导电移动目标7的第一元件10和第二元件11被彼此相邻布置，具体地，第二元件11被布置在第一元件10的内部，并且第一元件10和第二元件11不重叠。
图6示出了导电移动目标7的第四实施例。图6所示的导电移动目标7的第四实施例与图5所示的导电移动目标7的第三实施例的不同之处在于：第二元件11具有矩形形状并且与第一元件10重叠。具体地，如果区段12之间的间隙被认为属于第一元件10，则包括区段12的第一元件10与第二元件11完全重叠。
图7示出了导电移动目标7的第五实施例。图7所示的导电移动目标7的第五实施例与图6所示的导电移动目标7的第四实施例的不同之处在于：第二元件11具有箭头形状。
图8示出了导电移动目标7的第六实施例，其中与图7所示的第五实施例相比，第二元件11具有更大的箭头形状。
图9a和图9b示出了针对以下内容的目标配置比较：
a)图4所示的导电移动目标的第二实施例；
b)图5所示的导电移动目标的第三实施例；
c)图6所示的导电移动目标的第四实施例；
d)图7所示的导电运动目标的第五实施例，以及
e)图8所示的导电移动目标的第六实施例。
所使用比较的设置是：
·速度1000rpm
·标称AG 1mm…1.75mm
·X/Y位移+/-0.3mm
·倾斜+/-0…0.5mm
·测试了不同的目标
图9a和图9b示出了基于32X线圈的性能比较。
存在不同的信号处理方法来计算绝对高分辨率角度信号。以下示出了一个可能的方法。
步骤1：计算因子＝(分辨率/高分辨率周期数)
步骤2：检查实际周期
实际周期＝求商(绝对角度/因子)
步骤3：计算高分辨率绝对角度
绝对高分辨率＝高分辨率角度+实际周期*分辨率
步骤4：根据需要，检查合理性并校正周期
如果((绝对高分辨率-高分辨率周期数*低分辨率角度))>阈值->输出＝绝对高分辨率-分辨率
如果((绝对高分辨率-高分辨率周期数*低分辨率角度))<阈值->输出＝绝对高分辨率+分辨率
否则输出＝绝对高分辨率
图10示出了处理之后的高分辨率输出，具体是32周期高分辨率传感器和经处理的高分辨率绝对传感器的信号图。
通过在一个PCB上实现两个或多个高分辨率绝对传感器集合，可以生成冗余解决方案来实现更高的诊断覆盖率。
通过在扭杆的每一侧上安装两个高分辨率绝对传感器集合，可以计算扭矩作为两个传感器之间的差。
图11示出了根据本发明的电感式位置传感器1的第三实施例的示意图。图11所示的电感式位置传感器1是具有笔直测量区域的线性位置传感器，导电目标7沿着该笔直测量区域移动。另外，图11所示的电感式位置传感器1的第三实施例对应于图1所示的电感式位置传感器1的第一实施例。
附图标记列表
1电感式位置传感器
2发射线圈
3绝对位置接收线圈(正弦)
4绝对位置接收线圈(余弦)
5高分辨率位置接收线圈(正弦)
6高分辨率位置接收线圈(余弦)
7导电移动目标
8印刷电路板(传感器)
9信号处理单元
10第一目标元件
11第二目标元件
12多个区段(移动目标/目标元件)

Claims (14)

1.一种电感式位置传感器(1)，包括：至少一个发射线圈(2)、绝对位置接收线圈对(3、4)、高分辨率位置接收线圈对(5、6)和导电移动目标(7)，
其中所述绝对位置接收线圈对(3、4)和所述高分辨率接收线圈对(5、6)一起限定了所述电感式位置传感器(1)的测量区域，并且所述移动目标(7)能够在所述测量区域中移动，
其中所述绝对位置线圈对(3、4)具有第一正弦接收线圈(3)和第一余弦接收线圈(4)，两者(3、4)在所述电感式位置传感器(1)的所述测量区域之上具有一个周期，
其中所述高分辨率位置接收线圈对(5、6)具有第二正弦接收线圈(5)和第二余弦接收线圈(6)，两者(5、6)在所述电感式位置传感器(1)的所述测量区域之上具有至少两个周期，
其特征在于，
所述绝对位置接收线圈对(3、4)和所述高分辨率位置接收线圈对(5、6)被布置在所述电感式位置传感器(1)的印刷电路板(8)的相同区域内。
2.根据权利要求1所述的电感式位置传感器(1)，其中所述电感式位置传感器(1)是径向位置传感器并且所述测量区域是360°圆。
3.根据权利要求1的电感式位置传感器(1)，其中所述电感式位置传感器(1)是线性位置传感器并且所述测量区域是直线。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电感式位置传感器(1)，还包括信号处理单元(9)，用于向所述至少一个发射线圈(2)提供信号和/或用于处理所述绝对位置接收线圈对(3、4)和所述高分辨率接收线圈对(5、6)的信号。
5.根据权利要求4所述的电感式位置传感器(1)，其中所述信号处理单元(9)被布置在与所述电感式位置传感器(1)相同的印刷电路板(8)上、或者被外部连接到所述电感式位置传感器(1)的所述印刷电路板(8)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电感式位置传感器(1)，其中所述导电移动目标(7)包括彼此间隔开的多个区段(12)。
7.根据权利要求6所述的电感式位置传感器(1)，其中所述导电移动目标(7)的所述多个区段(12)具有相同的形状和/或间距。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电感式位置传感器(1)，其中所述导电移动目标(7)包括至少一个第一目标元件(10)和至少一个第二目标元件(11)，其中所述至少一个第一目标元件(10)的形状与所述至少一个第二目标元件(11)的形状不同。
9.根据权利要求8所述的电感式位置传感器(1)，其中所述至少一个第一目标元件(10)、特别是所述至少一个第一目标元件(10)的所述多个区段(12)，覆盖所述电感式位置传感器(1)的完整测量区域或者所述电感式位置传感器(1)中未被所述至少一个第二目标元件(11)覆盖的测量区域。
10.根据权利要求8或9所述的电感式位置传感器(1)，其中所述至少一个第二目标元件(11)覆盖所述电感式位置传感器(1)的所述测量区域的一部分。
11.根据权利要求10所述的电感式位置传感器(1)，其中所述至少一个第二目标元件(11)具有半圆形、全环形的弧段、矩形或箭头形。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的电感式位置传感器(1)，其中所述至少一个第一目标元件(10)和所述至少一个第二目标元件(11)彼此相邻布置、或者彼此至少部分地重叠。
13.根据权利要求12所述的电感式位置传感器(1)，其中所述至少一个第一目标元件(10)和所述至少一个第二目标元件(11)完全重叠但具有不同尺寸。
14.将根据权利要求1至13中任一项所述的电感式位置传感器(1)与根据权利要求1至13中任一项所述的另一电感式位置传感器(1)或任何其他位置传感器一起使用，来计算进一步的输出信号，诸如扭矩、诊断信息或误差补偿。
CN202110776584.1A 2020-07-10 2021-07-09 电感式位置传感器 Pending CN113984093A (zh)

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