CN114838655A - 一种多周期双极型电磁感应式角度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多周期双极型电磁感应式角度传感器，包括转子、定子、信号处理单元三个部分；转子采用双极结构，包含外沿的多周期铜箔扇形结构和中心的单周期铜箔扇形结构；对应的，定子包含单周期和多周期的分别用于产生高频交流信号的激励线圈和用于接收电磁感应信号的接收线圈；当给激励线圈通入交变电流时，由偶数个极性相反的回路组成的接收线圈产生的感应电动势之和为零，当转子在接收线圈上方转动时，转子中产生的涡流使相邻两个接收线圈的感应电压呈正余弦形式变化，进而实现角度测量。本发明所述角度传感器通过两组线圈结合单周期转子和多周期转子的组合结构，形成双极模式，在保证测量精度的基础上解决了绝对角度位置测量问题。

Description

一种多周期双极型电磁感应式角度传感器

技术领域

本发明涉及精密仪器仪表测量技术领域，特别涉及一种多周期双极型电磁感应式角度传感器。

背景技术

随着自动化控制及精密加工技术的不断发展，角度传感器作为最前端位置精准检测的核心部件越来越受到重视。角度传感器按照其结构布局可以分为接触式和非接触式。接触式角度传感器有电位计式角度传感器，非接触式角度传感器有电容式、霍尔式、光电式和磁阻式等。接触式角度传感器由于其原理的特殊性，敏感元件之间需要接触，因此其易磨损，导致接触式角度传感器精度不高，使用寿命短，相比之下，非接触式角度传感器避免了上述缺陷。但由于各类非接触式角度传感器的实现原理不同，它们也受到各种不同条件的使用限制和影响。例如电容式传感器虽然结构简单，成本低，但是其体积较大，难以集成且稳定性较差。霍尔式角度传感器的优点是不受电磁干扰，因此适用于磁场强度较高的环境中，但缺点是受温度影响较大，温度漂移严重，除此之外，霍尔传感器使用寿命较短。光电式传感器可以实现高精度，但对工作环境要求苛刻，无法适用于污垢、灰尘、油污等工况，且制作工艺要求较高，结构复杂，价格昂贵，使用寿命短，从而其工作稳定性和可靠性相对而言不高。

近年来，随着传感器技术的不断发展，出现了基于各向异性磁阻（AMR）和巨磁电阻（GMR）的角度传感器，这类传感器结构简单，体积小巧，抗污防尘，抗冲击性强，可靠性高，但其仍有分辨率和精度不够高的缺点。

发明内容

为了解决角度传感器非接触、抗震动冲击、耐高低温、高分辨率且可以实现绝对位置测量的问题，本发明提供一种多周期双极型电磁感应式角度传感器，基于电磁感应原理，实现单周期、多周期信号结合的绝对位置角度检测。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：

一种多周期双极型电磁感应式角度传感器，包括转子、定子、信号处理单元三个部分；

所述转子采用双极结构，包含外沿的多周期铜箔扇形结构和中心的单周期铜箔扇形结构；对应的，所述定子包含单周期和多周期的分别用于产生高频交流信号的激励线圈和用于接收电磁感应信号的接收线圈；

当给所述激励线圈通入交变电流时，由偶数个极性相反的回路组成的所述接收线圈产生的感应电动势之和为零，当所述转子在所述接收线圈上方转动时，所述转子中产生的涡流使相邻两个所述接收线圈的感应电压呈正余弦形式变化，进而实现角度测量；为了进一步实现绝对位置角度测量，在测量过程中，单周期接收线圈的感应信号对多周期接收线圈所处周期数进行识别，多周期接收线圈的感应信号对所处角度位置进行识别。

优选地，所述激励线圈的形状设计为由多个圆形线圈组合而成的平面螺旋线圈，当通入交变电流时产生径向对称的交变磁场；所述接收线圈根据所述转子的极数情况进行设定。

优选地，所述转子、所述定子和所述信号处理单元且均采用印刷电路板PCB工艺制成。

优选地，所述转子分为多对极转子和单对极转子，或者称多周期转子和单周期转子；

对于所述多周期转子，设计N周期接收线圈，N=4，6，8，12……，由2N个弧形线圈组成，相应的，所述多周期转子设计为N对极，能够在所述多周期转子转动360°时产生N个周期的正余弦信号；

对于所述单周期转子，设计单周期接收线圈，由2个弧形线圈组成，所述单周期转子设计为单对极，能够在所述单周期转子旋转360°时产生一个周期的正余弦信号；

所述多周期转子提供绝对角度的位置信息，所述单周期转子提供多周期转子所处的周期数信息，两者信息由各自对应的接收线圈感应接收，转换为与角度位置相关的高频的正余弦电压信号。

优选地，所述信号处理单元包括带有模数转换器的微处理器及其附属电路，用于对所述多周期转子对应的接收线圈感应的电压信号和所述单周期转子对应的接收线圈感应的电压信号进行采集和模数转换。

优选地，所述微处理器通过所述模数转换器转换的两路电压信号对角度信息进行解算，其中，所述单周期转子旋转一圈会感应出一组完整的正余弦信号，利用反正切函数计算出角度

，角度范围是[-180°,180°]，那么最终的角度

计算公式如式（1）所示：

所述多周期转子旋转一圈会在0-360°范围感应出N组完整的正余弦信号，利用反正切函数计算出角度

，为了旋转一周输出的角度值为0-360°，将解算出来的

除以N得到

，同时为了保证初始位置的角度值为零，将

减去初始位置的角度得到

。

优选地，当旋转方向为逆时针时，如果

大于零，则实际角度

为

,否则

，如式（2）所示：

当旋转方向为顺时针时，如果

大于零，则实际角度

为

,否则

，如式（3）所示：

优选地，令单周期转子对应的接收线圈为单周期接收线圈，多周期转子对应的接收线圈为多周期接收线圈；解算角度在旋转一周会出现N个0-360/N°，识别周期数时，每增加一个周期，就在现有角度的基础上增加一个360/N°，直至第N个周期完成后清零；其中，单周期接收线圈负责周期数的识别，将输出角度划分为N段，每段为个360/N°，当单周期接收线圈进入下一小段时，意味着多周期接收线圈进入了下一周期，在0- 360/N°范围内，设单周期接收线圈的段数

为0，当进入下一小段时，段数加1，以此类推，定义单周期接收线圈的初始角度为

，如式（4）所示，那么多周期接收线圈最终的输出角度

为：

通过式（4）及式（5），即可识别不同的周期数，从而实现转子转动一周输出0-360°的效果，实现了绝对角度位置测量。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明实施例提出了一种基于电磁感应原理的角度传感器及其设计方法，所述传感器具有非接触、高转速、抗油污、可灵活设计结构尺寸等突出优势，拓宽了角度传感器的适用范围。所述传感器测量过程中，将角度变化转化为线圈感应电压变化进而实现角度测量，其核心感应元件仅为线圈和铜箔转子，结构简单，且可以设计为中空形式，能够高度集成到自动化设备中。并且所述传感器通过两组线圈结合单周期转子和多周期转子的组合结构，形成双极模式，在保证测量精度的基础上解决了绝对角度位置测量问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种多周期双极型电磁感应式角度传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种定子部分的设计示意图；

图3是本发明实施例提供的一种线圈PCB图；

图4a和图4b是本发明实施例提供的一种转子的结构示意图及PCB图；

图5a和图5b是本发明实施例提供的单周期接收线圈感应电压的正弦信号和余弦信号示意图；

图6a和图6b是本发明实施例提供的四周期接收线圈感应电压的正弦信号和余弦信号示意图；

图7是本发明实施例提供的一种角度传感器的结构分解示意图；

图8a-图8x是本发明实施例提供的角度传感器转子旋转过程中多个时刻的多周期线圈（左）和单周期线圈（右）感应电压幅值示意图。

如图所示，为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在本发明的保护范围中。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明的实施例提供了一种多周期双极型电磁感应式角度传感器，如图1所示，所述多周期双极型电磁感应式角度传感器包括转子1、定子2、信号处理单元（未示出）三个部分；

转子1采用双极结构，包含外沿的多周期铜箔扇形结构和中心的单周期铜箔扇形结构；对应的，定子2包含单周期和多周期的分别用于产生高频交流信号的激励线圈和用于接收电磁感应信号的接收线圈；

当给激励线圈通入交变电流时，由偶数个极性相反的回路组成的接收线圈产生的感应电动势之和为零，当转子1在接收线圈上方转动时，转子1中产生的涡流使相邻两个接收线圈的感应电压呈正余弦形式变化，进而实现角度测量。

为了进一步实现绝对位置角度测量，在测量过程中，单周期接收线圈的感应信号对多周期接收线圈所处周期数进行识别，多周期接收线圈的感应信号对所处角度位置进行识别，从而既保证了高精度，又实现了绝对位置角度测量。

其中，激励线圈的形状设计为由多个圆形线圈组合而成的平面螺旋线圈，当通入交变电流时产生近似匀强的径向对称的交变磁场；接收线圈根据转子2的极数情况进行设定。

作为本发明的一种优选实施方式，转子1、定子2和信号处理单元自上而下依次设置，且均采用印刷电路板PCB工艺制成。

进一步地，转子1分为多对极转子和单对极转子，或者称多周期转子和单周期转子；对于多周期转子，设计N周期接收线圈，N=4，6，8，12……，由2N个弧形线圈组成，相应的，多周期转子设计为N对极，能够在多周期转子转动360°时产生N个周期的正余弦信号；

对于单周期转子，设计单周期接收线圈，由2个弧形线圈组成，单周期转子设计为单对极，能够在单周期转子旋转360°时产生一个周期的正余弦信号。

其中，多周期转子提供绝对角度的位置信息，单周期转子提供多周期转子所处的周期数信息，两者信息由各自对应的接收线圈感应接收，转换为与角度位置相关的高频的正余弦电压信号。

进一步地，信号处理单元包括带有模数转换器的微处理器及其附属电路，用于对多周期转子对应的接收线圈感应的电压信号和单周期转子对应的接收线圈感应的电压信号进行采集和模数转换。

具体地，以单周期结合四周期信号方式为例，图2是定子部分的设计示意图，图3是线圈PCB图，图4a和图4b是转子的结构示意图及PCB图。其中四周期接收线圈是由两组有22.5°相位差的线圈组成，每组线圈由8个回路组成，相应的，对应的转子采用四极对的形式，每对极为22.5°的扇形铜箔叶片，在转子转动360°时产生4个周期的正余弦信号，在物理层面提高了测量分辨率及精度，而单周期接收线圈由两组具有90°相位差的线圈组成，每组线圈由2个回路组成，对应转子为180°扇形（半圆形）铜箔，在转子旋转360°时会产生一个周期的正余弦信号。图5a和图5b是单周期接收线圈感应电压的正弦信号和余弦信号示意图，图6a和图6b是四周期接收线圈感应电压的正弦信号和余弦信号示意图。

图7是本发明实施例中角度传感器的结构分解示意图，四周期接收线圈所对应的激励线圈的匝数设计为3，单周期接收线圈对应的激励线圈匝数设计为4，本实施例中转子与定子均采用印刷电路板（PCB）制作工艺，将线宽、线距均设计为0.2mm，线圈尺寸方面，内圈单周期接收线圈的内半径为4.5mm，外半径为10.5mm，对应的激励线圈的外半径为14.5mm，四周期接收线圈的内半径为15mm，外半径为21mm，对应的激励线圈的外半径为24mm。

转子设计方面，本实施例中转子选用导电性良好的铜箔材料，在PCB板上通过铺铜工艺实现，其中中心180°半圆形铜箔（单周期转子）内半径为6.46mm，外半径13.24mm，外沿45°扇形铜箔（多周期转子）内半径15.10mm，外半径24.74mm，转子厚度为1.2mm。

进一步地，采用微处理器分别对单周期接收线圈、多周期接收线圈感应的信号进行采集并做模数转换。其中，单周期转子旋转一圈会感应出一组完整的正余弦信号，利用反正切函数计算出角度

，角度范围是[-180°,180°]，那么最终的角度

计算公式如式（1）所示：

四周期接收线圈与单周期接收线圈原理一样，转子旋转一圈会在0-360°范围感应出四组完整的正余弦信号，利用反正切函数计算出角度

，为了旋转一周输出的角度值为0-360°，将解算出来的

除以N得到

，同时为了保证初始位置的角度值为零，将

减去初始位置的角度得到

。

当旋转方向为逆时针时，如果

大于零，则实际角度

为

,否则

，如式（6）所示：

当旋转方向为顺时针时，如果

大于零，则实际角度

为

,否则

，如式（7）所示：

至此，解算角度在旋转一周会出现4个0-90°，显然，需要识别周期数，每增加一个周期，就在现有角度的基础上增加一个90°，直至第4个周期完成后清零，在本发明实施例中，单周期接收线圈负责周期数的识别，将单周期接收线圈输出角度划分为4段，每段为个90°，当单周期接收线圈进入下一小段时，意味着四周期接收线圈进入了下一周期，在0-90°范围内，设单周期接收线圈的段数

为0，当进入下一小段时，段数加1，以此类推，定义单周期接收线圈的初始角度为

，如式（8）所示，那么四周期接收线圈最终的输出角度

为

通过式（8）及式（9），即可识别不同的周期数，从而实现转子转动一周输出0-360°的效果，实现了绝对角度位置测量。

图8a-图8x是转子旋转过程中多个时刻的多周期线圈（左）和单周期线圈（右）感应电压幅值示意图。

本发明实施例提出了一种基于电磁感应原理的角度传感器及其设计方法，所述传感器具有非接触、高转速、抗油污、可灵活设计结构尺寸等突出优势，拓宽了角度传感器的适用范围。所述传感器测量过程中，将角度变化转化为线圈感应电压变化进而实现角度测量，其核心感应元件仅为线圈和铜箔转子，结构简单，且可以设计为中空形式，能够高度集成到自动化设备中。并且所述传感器通过两组线圈结合单周期转子和多周期转子的组合结构，形成双极模式，在保证测量精度的基础上解决了绝对角度位置测量问题。

需要说明的是，在说明书中提到“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等指示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。另外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合其它实施例（无论是否明确描述）实现这种特征、结构或特性应在相关领域技术人员的知识范围内。

通常，可以至少部分从上下文中的使用来理解术语。例如，至少部分取决于上下文，本文中使用的术语“一个或多个”可以用于描述单数意义的任何特征、结构或特性，或者可以用于描述复数意义的特征、结构或特性的组合。另外，术语“基于”可以被理解为不一定旨在传达一组排他性的因素，而是可以替代地，至少部分地取决于上下文，允许存在不一定明确描述的其他因素。

如本文使用的，术语“标称/标称地”是指在生产或制造过程的设计阶段期间设置的针对部件或过程操作的特性或参数的期望或目标值，以及高于和/或低于期望值的值的范围。值的范围可能是由于制造过程或容限中的轻微变化导致的。如本文使用的，术语“大约”指示可以基于与主题半导体器件相关联的特定技术节点而变化的给定量的值。基于特定技术节点，术语“大约”可以指示给定量的值，其例如在值的5%-15%（例如，值的±5%、±10%或±15%）内变化。

可以理解的是，本公开中的“在……上”、“在……之上”和“在……上方”的含义应当以最宽方式被解读，以使得“在……上”不仅表示“直接在”某物“上”而且还包括在某物“上”且其间有居间特征或层的含义，并且“在……之上”或“在……上方”不仅表示“在”某物“之上”或“上方”的含义，而且还可以包括其“在”某物“之上”或“上方”且其间没有居间特征或层的含义。

此外，诸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间相关术语在本文中为了描述方便可以用于描述一个元件或特征与另一个或多个元件或特征的关系，如在附图中示出的。空间相关术语旨在涵盖除了在附图所描绘的取向之外的在设备使用或操作中的不同取向。设备可以以另外的方式被定向，并且本文中使用的空间相关描述词可以类似地被相应解释。

本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件和电路等。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多周期双极型电磁感应式角度传感器，其特征在于，包括转子、定子、信号处理单元三个部分；

所述转子采用双极结构，包含外沿的多周期铜箔扇形结构和中心的单周期铜箔扇形结构；对应的，所述定子包含单周期和多周期的分别用于产生高频交流信号的激励线圈和用于接收电磁感应信号的接收线圈；

当给所述激励线圈通入交变电流时，由偶数个极性相反的回路组成的所述接收线圈产生的感应电动势之和为零，当所述转子在所述接收线圈上方转动时，所述转子中产生的涡流使相邻两个所述接收线圈的感应电压呈正余弦形式变化，进而实现角度测量；为了进一步实现绝对位置角度测量，在测量过程中，单周期接收线圈的感应信号对多周期接收线圈所处周期数进行识别，多周期接收线圈的感应信号对所处角度位置进行识别。

2.根据权利要求1所述的多周期双极型电磁感应式角度传感器，其特征在于，所述激励线圈的形状设计为由多个圆形线圈组合而成的平面螺旋线圈，当通入交变电流时产生径向对称的交变磁场；所述接收线圈根据所述转子的极数情况进行设定。

3.根据权利要求1所述的多周期双极型电磁感应式角度传感器，其特征在于，所述转子、所述定子和所述信号处理单元且均采用印刷电路板PCB工艺制成。

4.根据权利要求1所述的多周期双极型电磁感应式角度传感器，其特征在于，所述转子分为多对极转子和单对极转子，或者称多周期转子和单周期转子；

对于所述多周期转子，设计N周期接收线圈，N=4，6，8，12……，由2N个弧形线圈组成，相应的，所述多周期转子设计为N对极，能够在所述多周期转子转动360°时产生N个周期的正余弦信号；

对于所述单周期转子，设计单周期接收线圈，由2个弧形线圈组成，所述单周期转子设计为单对极，能够在所述单周期转子旋转360°时产生一个周期的正余弦信号；

所述多周期转子提供绝对角度的位置信息，所述单周期转子提供多周期转子所处的周期数信息，两者信息由各自对应的接收线圈感应接收，转换为与角度位置相关的高频的正余弦电压信号。

5.根据权利要求4所述的多周期双极型电磁感应式角度传感器，其特征在于，所述信号处理单元包括带有模数转换器的微处理器及其附属电路，用于对所述多周期转子对应的接收线圈感应的电压信号和所述单周期转子对应的接收线圈感应的电压信号进行采集和模数转换。

6.根据权利要求5所述的多周期双极型电磁感应式角度传感器，其特征在于，所述微处理器通过所述模数转换器转换的两路电压信号对角度信息进行解算，其中，所述单周期转子旋转一圈会感应出一组完整的正余弦信号，利用反正切函数计算出角度

，角度范围是[-180°,180°]，那么最终的角度

计算公式如式（1）所示：

所述多周期转子旋转一圈会在0-360°范围感应出N组完整的正余弦信号，利用反正切函数计算出角度

，为了旋转一周输出的角度值为0-360°，将解算出来的

除以N得到

，同时为了保证初始位置的角度值为零，将

减去初始位置的角度得到

。

7.根据权利要求6所述的多周期双极型电磁感应式角度传感器，其特征在于，当旋转方向为逆时针时，如果

大于零，则实际角度

为

,否则

，如式（2）所示：

当旋转方向为顺时针时，如果

大于零，则实际角度

为

,否则

，如式（3）所示：

。

8.根据权利要求7所述的多周期双极型电磁感应式角度传感器，其特征在于，令单周期转子对应的接收线圈为单周期接收线圈，多周期转子对应的接收线圈为多周期接收线圈；解算角度在旋转一周会出现N个0-360/N°，识别周期数时，每增加一个周期，就在现有角度的基础上增加一个360/N°，直至第N个周期完成后清零；其中，单周期接收线圈负责周期数的识别，将输出角度划分为N段，每段为个360/N°，当单周期接收线圈进入下一小段时，意味着多周期接收线圈进入了下一周期，在0- 360/N°范围内，设单周期接收线圈的段数

为0，当进入下一小段时，段数加1，以此类推，定义单周期接收线圈的初始角度为

，如式（4）所示，那么多周期接收线圈最终的输出角度

为：

通过式（4）及式（5），即可识别不同的周期数，从而实现转子转动一周输出0-360°的效果，实现了绝对角度位置测量。

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