CN116447969A - 一种用于线控转向的电磁式角度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于线控转向的电磁式角度传感器，包括振荡器电路、激励线圈、接收线圈、电感耦合元件以及评估电路，所述激励线圈和接收线圈均采用多层叠层设计，所述振荡器电路用于产生一个周期性的交变电压信号，并将所述交变电压信号耦合到所述激励线圈中，所述电感耦合元件影响所述激励线圈和所述接收线圈之间的感应耦合的强度，所述电感耦合元件包括若干个叶片，所述评估电路用于接收所述接收线圈输出的电信号并对所述电信号进行处理。本发明的用于线控转向的电磁式角度传感器重量轻、便于安装，能够以简单且成本有效的方式实现角度位置的精确检测。

Description

一种用于线控转向的电磁式角度传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体地，涉及一种用于线控转向的电磁式角度传感器。

背景技术

本发明属于非接触式角度传感器。非接触式角度传感器有电容式、霍尔式、光电式和电磁式等角度传感器。霍尔式角度传感器是基于霍尔原理设计而成，其抗电磁干扰能力强，基本消除了外界因素的干扰，灵敏度高。光电编码器是基于光电效应制造的光电式角度传感器。电磁式角度传感器，包括激励线圈、接收线圈以及电感耦合元件即转子，激励线圈布置在接收线圈的外部，转子处于接收线圈的上端且保持一定的距离。电磁式角度传感器由于其特殊结构而具备的高可靠性、高分辨率和对外部环境的不敏感的特性优势，而基于PCB应用开发的电感式角度传感器更具备低成本、高紧凑型、线圈布局可控等现实意义，具有很大地发展空间。

然而，霍尔式角度传感器普遍存在温度漂移大的缺点，因此热稳定性差，此外，霍尔传感器易坏。光电编码器制作工艺要求较高，结构复杂，价格昂贵，使用寿命短，且受振动、灰尘和大气环境的影响较大，从而其工作稳定性和可靠性不高。电磁式角度传感器存在接收线圈因信号模糊的相位关系引起的角误差问题；单层线圈存在的不稳定性问题，接收信号为非线性高频小信号，不利于后期的线性化分析。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种重量轻、便于安装的用于线控转向的电磁式角度传感器，能够以简单且成本有效的方式实现角度位置的精确检测。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种用于线控转向的电磁式角度传感器，包括振荡器电路、激励线圈、接收线圈、电感耦合元件以及评估电路，所述激励线圈和接收线圈均采用多层叠层设计，所述振荡器电路用于产生一个周期性的交变电压信号，并将所述交变电压信号耦合到所述激励线圈中，所述电感耦合元件影响所述激励线圈和所述接收线圈之间的感应耦合的强度，所述电感耦合元件包括若干个叶片，所述评估电路用于接收所述接收线圈输出的电信号并对所述电信号进行处理。

优选地，所述振荡器电路采用LC振荡电路，产生4MHz的高频信号注入到激励线圈中，所述激励线圈的中心区域形成交变稳定的场强。

优选地，所述电磁式角度传感器的输出周期为40°，所述电感耦合元件包括九片均匀排列的叶片。

优选地，所述接收线圈由一根导线绕成多个不相交的串联反接的绕组，所述接收线圈的组数设置为3以上的奇数倍组数。

优选地，所述评估电路包括信号电反转装置、HF滤波器、整流器、放大器、数模转换器、微型计算机，所述电反转装置对接收线圈输出的电信号进行电反转后发送给HF滤波器，所述HF滤波器滤除高频部分，通过整流器实施整流处理，再通过放大器将输出信号的一个电平调节到模拟数字转换器的一个转换范围，所述模拟数字转换器又将其数字化的输出信号发送给微型计算机，所述微型计算机计算并输出对应于转子元件位置的传感器输出信号。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、对激励线圈和接收线圈采用多层叠层设计，使得激励线圈产生的信号幅度和接收线圈信号接收能力的得到大幅度增强，同时多层定子的叠层设计也避免了之前单层线圈因线圈的损坏带来的不稳定性问题；

2、在定子多层叠层设计的前提下，结合PCB技术将定子厚度控制在3mm以内，以达到简单经济制造电磁传感器的目标，提供易于安装的轻质电磁传感器；

3、在评估电路中对多组接收线圈的输出信号进行电反转、整流滤波、放大、数模转换等一系列处理，使得接收电信号可靠性提高，转子位置判定更准确更迅速，很好地提升了传感器性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例提供的用于线控转向的电磁式角度传感器结构原理图；

图2为本发明实施例提供的用于线控转向的电磁式角度传感器的电感耦合元件结构图；

图3为本发明实施例提供的用于线控转向的电磁式角度传感器的接收线圈单组结构图；

图4为本发明实施例提供的用于线控转向的电磁式角度传感器的接收线圈结构图；

图5为本发明实施例提供的用于线控转向的电磁式角度传感器的评估电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

具体地，图1为本发明实施例提供的用于线控转向的电磁式角度传感器结构图，如图1所示，所述用于线控转向的电磁式角度传感器包括振荡器电路1、激励线圈2、接收线圈4、影响激励线圈2和接收线圈4之间电感耦合强度的电感耦合元件3以及评估电路5，所述激励线圈2和接收线圈4均采用多层叠层设计，用来增加激励线圈2产生的信号幅度，并解决由接收线圈4因信号模糊的相位关系引起的角误差问题。所述振荡器电路1用于产生一个周期性的交变电压信号，并将所述交变电压信号耦合到所述激励线圈2中，具体地，所述振荡器电路1是一种LC振荡电路，其产生4MHz左右的高频信号注入到激励线圈2当中去，所述激励线圈2产生交变稳定的场强，所述电感耦合元件3由于电涡流效应，在其各叶片端处产生与激励场强相反的磁场，所以当电感耦合元件3覆盖的区域，激励场强被削弱，整体磁场呈阶梯状随电感耦合元件3运动轨迹运动。所述接收线圈4内部由于阶梯场强的变化，从而产生感应信号。

所述评估电路5用于评估接收线圈4中感应信号，所述评估电路5由信号电反转装置、HF滤波器、整流器、放大器、数模转换器等组成，实现对接收信号的处理。

如图2所示，所述电感耦合元件3包括九个均匀排列的叶片31，所述电感耦合元件3由于电涡流效应，其叶片31上产生大量同向的电涡流，这些涡流所产生的磁场与激励场强相反，故当电感耦合元件叶片31经过的位置场强会被削弱，传感器的整体场强形成一个运动的阶梯形变化。

在本实施例中，根据涡流效应，在电感耦合元件3叶片31的顶端会汇集大量的涡流。在涡流场仿真中，选取在顶端尖角处进行了合适度数的锐化处理，在原有的场强下获得了较好的涡流分布。并且在涡流分布良好的情况下，对一定高度下激励场强和涡流效应形成的阶梯场强的分布进行了分析，获得电感耦合元件3的最佳的安放高度。

如图3所示，一对正反接的线圈41所示内场强的变化引起磁通量的变化，形成了随电感耦合元件3运动变化而变化的感应电压信号。

如图4所示，所述接收线圈4包括三组接收线圈。在本实施例中，根据在maxwell中对传感器模型的电磁分析，接收线圈的结构设计中，在无转子作用下，其感应的输出电压为零。采用近似菱形的对称设计，达到正反接的效果，并且在每一个接收线圈的尖锐处进行平滑处理，从而减少接收信号的损耗。接收线圈由一根导线绕成多个不相交的串联反接的绕组，接收线圈的组数设置为3以上的奇数倍组数，本实施例中采用3组放置，每个接收线圈间隔A度(A＝360/转子瓣数)。接收线圈奇数的原因是因为当接收线圈的数量是偶数时，每个反向接收线圈信号成对，与原始接收线圈信号相同，因此测量部分的数量不会增加一倍，不利于对信号的电反转处理。

如图5所示，所述评估电路5接收到接收线圈4输出的电信号，评估电路5包括信号电反转装置51、HF滤波器52、整流器53、放大器54、数模转换器55、微型计算机56。首先将接收线圈4的电信号发送至信号电反转装置51对信号实行电反转，获取双倍的信号组数，为信号在一个周期内的零点上下范围的线性化做准备；接着HF滤波器52滤除高频部分，然后整流器53实施整流处理，继而放大器54将输出信号的一个电平调节到模拟数字转换器55的一个转换范围，所述模拟数字转换器55又将其数字化的输出信号发送给微型计算机56，该微型计算机56计算并输出对应于转子元件位置的传感器输出信号。

与现有技术相比，本发明在原先传感器的定子模型存在着单层定子时期存在因线圈的损坏带来的不稳定性和接收线圈因信号模糊的相位关系引起的角误差问题，对定子模型进行了多层叠层设计，使得激励线圈产生的信号幅度和接收线圈信号接收能力的得到大幅度增强。同时多层定子的叠层设计也避免了之前单层线圈因线圈的损坏带来的不稳定性问题。

根据实际工况和平面螺线线圈场强方程确定激励线圈的匝数、半径、线距等，所述接收线圈采取一种类似菱形的正反接耦合方式，满足与转子周期的匹配性和对称性，并对拐角尖锐处进行平滑处理，进一步减少接收线圈的损耗。结合PCB技术将定子厚度控制在3mm以内，达到简单经济制造电磁传感器的目标，提供易于安装的轻质电磁传感器。

在评估电路中对多组的输出信号进行电反转处理，期望获得多组信号，获得在一个周期内的零点上下范围的变化量，便于线性化处理；整流滤波、放大、数模转换等一系列地处理，接收电信号可靠性高，转子位置判定更准确更迅速，很好地提升了传感器性能。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种用于线控转向的电磁式角度传感器，其特征在于，所述电磁式角度传感器包括振荡器电路、激励线圈、接收线圈、电感耦合元件以及评估电路，所述激励线圈和接收线圈均采用多层叠层设计，所述振荡器电路用于产生一个周期性的交变电压信号，并将所述交变电压信号耦合到所述激励线圈中，所述电感耦合元件影响所述激励线圈和所述接收线圈之间的感应耦合的强度，所述电感耦合元件包括若干个叶片，所述评估电路用于接收所述接收线圈输出的电信号并对所述电信号进行处理。

2.根据权利要求1所述的用于线控转向的电磁式角度传感器，其特征在于，所述振荡器电路采用LC振荡电路，产生4MHz的高频信号注入到激励线圈中，所述激励线圈的中心区域形成交变稳定的场强。

3.根据权利要求1所述的用于线控转向的电磁式角度传感器，其特征在于，所述电磁式角度传感器的输出周期为40°，所述电感耦合元件包括九片均匀排列的叶片。

4.根据权利要求1所述的用于线控转向的电磁式角度传感器，其特征在于，所述接收线圈由一根导线绕成多个不相交的串联反接的绕组，所述接收线圈的组数设置为3以上的奇数倍组数。

5.根据权利要求1所述的用于线控转向的电磁式角度传感器，其特征在于，所述评估电路包括信号电反转装置、HF滤波器、整流器、放大器、数模转换器、微型计算机，所述电反转装置对接收线圈输出的电信号进行电反转后发送给HF滤波器，所述HF滤波器滤除高频部分，通过整流器实施整流处理，再通过放大器将输出信号的一个电平调节到模拟数字转换器的一个转换范围，所述模拟数字转换器又将其数字化的输出信号发送给微型计算机，所述微型计算机计算并输出对应于转子元件位置的传感器输出信号。