CN116635696A - 高分辨率角感应传感器及相关联的使用方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种角位置传感器，该角位置传感器包括两个环形传感器，一个环形传感器用于在存在可旋转感应耦合元件的情况下生成粗略分辨率时变信号，并且另一个环形传感器用于在存在可旋转感应耦合元件的情况下生成精细分辨率时变信号。该可旋转感应耦合元件包括第一环形部分和第二环形部分，该第一环形部分包括至少一个环形导电扇区和至少一个环形非导电扇区，该第二环形部分包括至少一个环形导电扇区和至少一个环形非导电扇区，其中第一环形部分和第二环形部分的环形导电扇区的数量不同。具体地，环形部分的环形导电扇区可占环形部分的总面积的50％或75％。

Description

高分辨率角感应传感器及相关联的使用方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年12月14日提交的印度临时专利申请序列号202021/054,245和于2021年6月28日提交的美国非临时专利申请序列号17/359,694的优先权，其各自的内容全文以引用方式并入本文。

背景技术

许多行业，包括汽车、工业和航空航天工业，都对其位置感测系统提出了严格的可靠性要求。电位计在本领域中通常已知用于位置感测系统，专门用于确定电机控制或调节元件的位移角。尽管电位计是用于位置感测的相对便宜的解决方案，但是它们也易受不利环境条件的影响，并且随着时间的推移会因多次操作而导致故障。为了克服基于电位计的感测系统的缺点，非接触式位置传感器越来越多地用于满足严格的可靠性要求。非接触式位置传感器当前在本领域中是已知的，并且可以基于各种原理，包括感应、电容、霍尔效应或磁阻原理。

一种基于感应原理的非接触式传感器通常被称为感应位置传感器或解析器。一种感应位置传感器包括线圈组件，该线圈组件具有一个或多个励磁线圈和两个或更多个感测线圈。在感应位置传感器的操作中，将交流电(AC)注入到励磁线圈中，这导致在励磁线圈附近生成时变磁场。该时变磁场足以由于励磁线圈与感测线圈之间的相互磁耦合而在感测线圈中感应出时变电压。为了确定可旋转目标相对于线圈组件的角位置，导电目标可旋转地定位在励磁线圈与感测线圈之间的时变磁场内，并且通过间隙与线圈分离。相对于可旋转目标的位置，在时变磁场内存在可旋转目标会改变励磁线圈与感测线圈之间的相互磁耦合。励磁线圈与感测线圈之间的相互耦合的变化改变了感测线圈中感应的时变电压。由于感测线圈中感应的电压变化的幅值相对于可旋转目标相对于线圈组件的角位置是大致正弦曲线的，因此可以测量和处理感测线圈内的时变电压以确定可旋转目标的角位置。

在一个或多个印刷电路板(PCB)上形成平面线圈以提供位置传感器的线圈组件在本领域中是已知的。对重量轻、成本低、可靠性高且抗噪能力强的位置传感器的需求很大。虽然已知的感应位置传感器满足这些要求中的许多要求，但是各种应用也需要具有高分辨率能力的传感器。例如，在工业、医疗、航天和国防工业中，可能需要提供高精度和高分辨率的传感器解决方案。另外，与MEO(中地球轨道)卫星和LEO(低地球轨道)卫星通信的天线通常需要高精度和高分辨率的测量。

因此，本领域需要一种满足高感测准确度和分辨率要求的非接触式角位置传感器。

发明内容

在各种实施方案中，本发明提供了一种以改进的准确度和分辨率来感测可旋转感应耦合元件的角位置的系统和方法。本发明的系统和方法提供了一种改进的、非接触式、感应式角位置传感器，该角位置传感器提供了传感器输出的改进的准确度和分辨率。

在一个实施方案中，本发明提供了一种角位置传感器，该角位置传感器包括第一环形传感器和第二环形传感器，该第二环形传感器被定位成环绕第一环形传感器。该角位置传感器还包括可旋转感应耦合元件，该可旋转感应耦合元件被定位成与第一环形传感器和第二环形传感器成重叠关系并且通过间隙与第一环形传感器和第二环形传感器分离。可旋转感应耦合元件还包括第一环形部分和第二环形部分，该第一环形部分包括至少一个环形导电扇区和至少一个环形非导电扇区，该第二环形部分包括至少一个环形导电扇区和至少一个环形非导电扇区，并且其中第二环形部分的环形导电扇区的数量不同于第一环形部分的导电扇区的数量。

在特定实施方案中，角位置传感器的第一平面励磁线圈形成圆形内部区域，并且第一平面感测线圈对被定位在该圆形内部区域内，其中第一平面感测线圈对包括余弦感测线圈和正弦感测线圈，并且余弦感测线圈和正弦感测线圈中的每一者分别包括顺时针绕组部分和逆时针绕组部分。另外，角位置传感器的第二平面励磁线圈可被定位成环绕第一平面励磁线圈，并且第二平面感测线圈对可被定位在第一平面励磁线圈与第二平面励磁线圈之间，其中第二平面感测线圈对包括余弦感测线圈和正弦感测线圈，并且余弦感测线圈和正弦感测线圈中的每一者包括相应的顺时针绕组部分和相应的逆时针绕组部分。

角位置传感器另外可包括耦合到第一平面励磁线圈、第二平面励磁线圈、第一平面感测线圈对和第二平面感测线圈对的电路系统，该电路系统用于向第一平面励磁线圈和第二平面励磁线圈提供励磁信号以生成交流电(AC)磁场，并且用于感测响应于可旋转感应耦合元件的旋转而在第一平面感测线圈对和第二平面感测线圈对中感生的经调制的正弦波形和余弦波形。

在另外的实施方案中，本发明提供了一种用于确定可旋转感应耦合元件的角位置的方法，该方法包括：在第一环形传感器中建立磁耦合，该第一环形传感器包括第一平面励磁线圈和定位在由该第一平面励磁线圈形成的圆形内部区域内的第一平面感测线圈对，该第一平面感测线圈对包括相应的余弦感测线圈和相应的正弦感测线圈，第一平面感测线圈对的相应的余弦感测线圈和相应的正弦感测线圈中的每一者包括相应的顺时针绕组部分和相应的逆时针绕组部分；以及在第二环形传感器中建立磁耦合，该第二环形传感器包括第二平面励磁线圈和定位在由该第二平面励磁线圈形成的圆形内部区域内的第二平面感测线圈对，其中第二环形传感器被定位成环绕第一环形传感器，第二平面感测线圈对包括相应的余弦感测线圈和相应的正弦感测线圈，第二平面感测线圈对的余弦感测线圈和正弦感测线圈中的每一者包括相应的顺时针绕组部分和相应的逆时针绕组部分。该方法还包括将可旋转感应耦合元件定位成与第一环形传感器和第二环形传感器成重叠关系并且与第一环形传感器和第二环形传感器分离，该可旋转感应耦合元件包括第一环形部分和第二环形部分，该第一环形部分包括至少一个环形导电扇区和至少一个环形非导电扇区，该第二环形部分包括至少一个环形导电扇区和至少一个环形非导电扇区，并且其中第二环形部分的环形导电扇区的数量不同于第一环形部分的环形导电扇区的数量。该方法另外包括：使可旋转感应耦合元件旋转，以生成粗略分辨率正弦信号和余弦信号，可旋转感应耦合元件每次旋转的周期数量等于可旋转感应耦合元件的第一环形部分和第二环形部分中的第一者的环形导电扇区的数量，并且以生成精细分辨率正弦信号和余弦信号，可旋转感应耦合元件每次旋转的周期数量等于可旋转感应耦合元件的第一环形部分和第二环形部分中的第二者的环形导电扇区的数量；以及使用粗略分辨率正弦信号和余弦信号以及精细分辨率正弦信号和余弦信号来确定可旋转感应耦合元件的角位置。

因此，在各种实施方案中，本发明提供了一种满足高感测准确度和分辨率要求的改进的非接触式角位置传感器。

附图说明

并入本说明书中并形成本说明书的一部分的附图示出了各种实施方案，并且与实施方案的描述一起用于解释下面讨论的原理。除非特别指明，否则在该简要描述中提及的附图不应被理解为按比例绘制。

图1是示出了根据本发明的实施方案的角位置传感器的线圈设计的示意图。

图2A是示出了根据本发明的实施方案的粗-细比为1∶6的角位置传感器的俯视图的示意图。

图2B是示出了根据本发明的实施方案的粗-细比为1∶6的角位置传感器的透视图的示意图。

图3A是根据本发明的实施方案的角位置传感器的第一环形传感器的平面励磁线圈的详细视图。

图3B是根据本发明的实施方案的角位置传感器的第二环形传感器的平面励磁线圈的详细视图。

图4A是根据本发明的实施方案的角位置传感器的第一环形传感器的一对平面感测线圈的详细视图。

图4B是根据本发明的实施方案的角位置传感器的第二环形传感器的一对平面感测线圈的详细视图。

图5是示出了根据本发明的实施方案的角位置传感器的替代线圈设计的示意图。

图6A是示出了根据本发明的实施方案的粗-细比为1∶4的角位置传感器的示意图。

图6B是示出了粗-细比为1∶4的可旋转感应耦合元件的替代实施方案的示意图。

图7是示出了根据本发明的实施方案的来自环形位置传感器的模拟信号的用于确定可旋转感应耦合元件的角位置的示例性处理步骤的框图。

图8A是示出了根据本发明的实施方案的用于确定可旋转感应耦合元件的角位置的方法步骤的流程图的第一部分。

图8B是根据本发明的实施方案的图8A的流程图的第二部分。

具体实施方式

现在将详细参考各种实施方案，这些实施方案的示例在附图中示出。虽然本文讨论了各种实施方案，但应当理解，它们不旨在是限制性的。相反，所提出的实施方案旨在涵盖可包括在由所附权利要求限定的各种实施方案的精神和范围内的替代形式、修改形式和等同物。此外，在该具体实施方式中，阐述了许多具体细节以便提供透彻的理解。然而，可在没有这些具体细节中的一个或多个具体细节的情况下实践实施方案。在其他情况下，并未详细描述熟知的方法、程序、部件和电路以免不必要地模糊所述实施方案的各方面。

应当理解，尽管术语第一、第二、第三等可在本文中用于描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分区分开。因此，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可被称为第二元件、部件、区域、层或部分而不脱离本发明的教导内容。

除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。还应当理解，术语(诸如在常用字典中定义的术语)应当被解释为具有与其在相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于正式的意义来解释，除非本文明确地如此定义。

参考图1，在本发明的一个实施方案中，本发明的角位置传感器的线圈设计100包括两个环形传感器150、160。两个环形传感器150、160中的每一者包括平面励磁线圈和平面感测线圈。响应于可旋转感应耦合元件(未示出)的几何形状和定位，两个环形传感器150、160中的一者提供粗略角位置测量信号，而另一个环形传感器提供精细角位置测量信号。

在图1所示的实施方案中，本发明的角位置传感器的线圈设计100包括第一环形传感器160，该第一环形传感器包括形成圆形内部区域的第一平面励磁线圈110和定位在由第一平面励磁线圈110形成的圆形内部区域内的第一平面感测线圈对120。第一平面感测线圈对120包括正弦感测线圈610和余弦感测线圈605，并且正弦感测线圈610和余弦感测线圈605中的每一者包括顺时针绕组部分和逆时针绕组部分。角位置传感器的线圈设计100另外包括第二环形传感器150，该第二环形传感器包括定位成环绕第一平面励磁线圈110的第二平面励磁线圈105和定位在第一平面励磁线圈110与第二平面励磁线圈105之间的第二平面感测线圈对115。第二平面感测线圈对115包括正弦感测线圈640和余弦感测线圈645，并且正弦感测线圈640和余弦感测线圈645中的每一者包括顺时针绕组部分和逆时针绕组部分。在本发明中，顺时针绕组部分被定义为其中流过绕组部分的电流方向为顺时针方向的绕组部分，并且逆时针绕组部分被定义为其中当流过顺时针绕组部分的电流处于顺时针方向上时流过绕组部分的电流方向为逆时针方向的绕组部分。第一平面励磁线圈110的电压输入180和第二平面励磁线圈105的电压输入190建立顺时针绕组部分和逆时针绕组部分中的电流方向。因此，如通篇所用，术语顺时针和逆时针并不意味着固定方向，而是用来确定电流在任何时间点都在沿相反的方向流动。

上面已经在平面励磁线圈相比于平面感测线圈沿径向进一步延伸的实施方案中进行了描述，即，当从纵向旋转轴线查看时，每个励磁线圈都在相关联的感测线圈的远侧，然而这并不意味着以任何方式进行限制。在另一实施方案(未示出)中，平面感测线圈相比于平面励磁线圈沿径向进一步延伸，即，当从纵向旋转轴线查看时，每个励磁线圈都在相关联的感测线圈的近侧，与上述远侧实施方案相比，该近侧实施方案可能需要增加平面励磁线圈的电流。

角位置传感器的线圈设计100另外可包括耦合到角位置传感器的第一环形传感器160和第二环形传感器150的电路系统125。在存在可旋转感应耦合元件(通常被称为目标)的情况下，电路系统125向第一环形传感器160和第二环形传感器150的平面励磁线圈提供励磁信号，并且从第一环形传感器160和第二环形传感器150的平面感测线圈接收经调制的正弦输出信号和余弦输出信号。具体地，电路系统125的第一集成电路130可耦合到第一平面励磁线圈110和第一平面感测线圈对120，并且电路系统125的第二集成电路135可耦合到第二平面励磁线圈105和第二平面感测线圈对115。在操作中，第一集成电路130可提供输入电压以在特定频率下激励第一平面励磁线圈110，并且在存在覆盖第一平面感测线圈对120的可旋转目标的情况下，第一集成电路130可感测在第一平面感测线圈对120中感生的时变电压，作为经调制的正弦输出信号和余弦输出信号。另外，第二集成电路135可提供输入电压以在特定频率下激励第二平面励磁线圈105，并且在存在覆盖第二平面感测线圈对115的可旋转目标的情况下，第二集成电路135可感测在第二平面感测线圈对115中感生的经调制的正弦输出信号和余弦输出信号。

图2A示出了角位置传感器200的俯视图，该角位置传感器具有如图1所示的线圈设计100和可旋转感应耦合元件250，该可旋转感应耦合元件被定位成与第一平面感测线圈对120和第二平面感测线圈对115成重叠关系并且与它们分离。可旋转感应耦合元件250可由非铁磁性导电材料制成，包括但不限于铝、黄铜、铜和不锈钢以及在本领域中已知的其他非铁磁性导电材料。通常，可旋转感应耦合元件250可由任何材料制成，这些材料在其被放置在第一平面励磁线圈110和第二平面励磁线圈105附近的时变磁场中时能有效地改变在第一平面感测线圈对120和第二平面感测线圈对115的绕组部分中感生的时变电压。可旋转感应耦合元件250被定位在第一平面感测线圈对(120)和第二平面感测线圈对(115)上方，并且通过间隙与第一平面感测线圈对120和第二平面感测线圈对115分离。

在图2A的示例性实施方案中，可旋转感应耦合元件250包括第一环形部分290，该第一环形部分包括至少一个环形导电扇区245和至少一个环形非导电扇区240。可旋转感应耦合元件250还包括第二环形部分294，该第二环形部分包括由内部环形环部295连接的多个环形导电扇区220、222、224、226、228和230。环形导电扇区220、222、224、226、228和230中的每一者围绕第二环形部分294基本上均匀地径向间隔开，由内部环形环部295连接，并且其延伸部分别由非导电环形扇区202、204、206、208、210和212分离。

图2B示出了图2A的角位置传感器的透视图。如图2B所示，可旋转感应耦合元件250(包括由内部环形环部295连接的多个环形导电扇区220、222、224、226、228和230)被定位成与平面感测线圈对115成重叠关系并且通过间隙170与该平面感测线圈对分离，并且环形导电扇区245被定位成与平面感测线圈对120成重叠关系并且通过间隙170与该平面感测线圈对分离。具体地，可旋转感应耦合元件250连接到可旋转轴(未示出)，以将可旋转感应耦合元件250定位成与第一平面感测线圈对115和第二平面感测线圈对120成重叠关系。虽然在图2B所示的实施方案中，第二环形部分294被定位成与第二平面感测线圈对115成重叠关系，并且第一环形部分290被定位成与第一平面感测线圈对120成重叠关系，但这并不旨在进行限制。因此，在本发明的范围内考虑了将第二环形部分294定位成与第一平面感测线圈对120成重叠关系并且将第一环形部分290定位成与第二平面感测线圈对115成重叠关系。

在图2A和图2B所示的示例性实施方案中，第二环形部分294的环形导电扇区220、222、224、226、228和230以及第一环形部分290的环形导电扇区245是被制造在介电基板251上的金属层。另外，第二环形部分294的环形非导电扇区202、204、206、208、210和212以及第一环形部分290的环形非导电扇区240是介电基板251本身，没有金属层。因此，在该视图中，环形位置传感器200的线圈设计被示为虚线，因为它们在介电基板251下方不可见。内部环形环部295允许第二环形部分294的环形导电扇区220、222、224、226、228和230的涡电流在环形导电扇区220、222、224、226、228和230之间流动。

至少两个替代机械组件实施方案处于本发明的范围内。在图2A所示的第一机械组件实施方案中，第一环形部分290和第二环形部分294也被第三环形部分292分离，该第三环形部分由介电基板251形成。因此，在该实施方案中，第一环形部分290通过第三环形部分292与第二环形部分294分离，从而不提供使涡电流在第一环形部分290与第二环形部分294之间通过的路径。在第二机械组件实施方案(未示出)中，可旋转感应耦合元件250的环形导电扇区220、222、224、226、228、230和245可以是制造的金属结构，并且环形非导电扇区202、204、206、208、210、212和240可以是金属结构中的实际空隙，并且因此环形非导电扇区202、204、206、208、210、212、240可包括空气。在第二机械组件实施方案中，第一环形部分290和第二环形部分294可以是连续的，从而提供使涡电流在第一环形部分290与第二环形部分294之间通过的路径。将参考图6示出和描述具有连续环形部分的可旋转感应耦合元件。

在图2A和图2B的示例性实施方案中，第一环形部分290包括单个环形导电扇区245，并且第二环形部分294包括六个环形导电扇区220、222、224、226、228和230。第一环形部分290的环形导电扇区245的角度为270°，并且第一环形部分290的非导电环形扇区240的角度为90°。然而，这并不旨在是限制性的，并且另选地，环形导电扇区245的角度可以是180°，并且非导电环形扇区240的角度也可以是180°。另外，第二环形部分294的六个环形导电扇区220、222、224、226、228和230中的每一者的角度可任选地为45°或30°。第二环形部分294的六个相邻环形导电扇区和环形非导电扇区中的每一者分别形成60°传感器280。例如，如果环形导电扇区222具有30°的角度，则相邻的环形非导电扇区204将具有30°的角度以建立60°传感器280，并且如果环形导电扇区222具有45°的角度，则相邻的环形非导电扇区240将具有15°的角度以建立60°传感器280。上述角度是相对于可旋转感应耦合元件250围绕其旋转的中心纵向轴线(未示出)进行限定的，并且被限定为圆形物体的相对弧。

可旋转感应耦合元件250的各种其他几何设计处于本发明的范围内。例如，第二环形部分294可被配置有作为90°传感器的传感器280，该传感器具有45°或67.5°的导电扇区，并且第一环形部分290可被配置有270°或180°的导电扇区。通常，环形部分290、294中的任一者的环形导电扇区可包括总环形部分的50％或75％。

当可旋转感应耦合元件250的第一环形部分290被定位成与第一平面感测线圈对120成重叠关系，并且可旋转感应耦合元件250的第二环形部分294被定位成与第二平面感测线圈对115成重叠关系时，建立具有90°非导电扇区240和270°导电扇区245的360°传感器，并且建立六个60°传感器280，其各自具有相应的30°环形导电扇区220、222、224、226、228、230和相应的30°环形非导电扇区202、204、206、208、210、212。对于可旋转感应耦合元件250的每次旋转，一个经调制的正弦信号和余弦信号被第一平面感测线圈对120提供作为输出，并且六个经调制的正弦信号和余弦信号被第二平面感测线圈对115提供作为输出。由可旋转感应耦合元件250在第一平面感测线圈对120上的旋转提供的经调制的正弦信号和余弦信号被称为粗略输出信号，并且由可旋转感应耦合元件250在第二平面感测线圈对115上的旋转提供的经调制的正弦信号和余弦信号被称为精细输出信号。因此，在图2A和图2B所示的实施方案中，粗略输出信号与精细输出信号的比率为1∶6，并且对于可旋转感应耦合元件250的每次完整旋转，对于由第一环形部分290提供的每一个正弦波形和余弦波形，由第二环形部分294提供六个正弦波形和余弦波形。

粗略正弦波形和余弦波形以及精细正弦波形和余弦波形被集成以提高角位置传感器200的分辨率。例如，使用模数转换器(ADC)对集成波形进行采样将提高所得到的数字示例的分辨率。如果是1：6的粗-细比输出的情况，则分辨率增加2.5位。应注意，该比率并不旨在进行限制，并且粗-细比可基于定制要求并且可取决于ADC分辨率。

另外，虽然图2A和图2B中所示的环形位置传感器200在第一环形部分290中仅包括一个环形导电扇区245，但这并不旨在进行限制。第一环形部分290可包括多个导电扇区，并且第二环形部分294的导电扇区将适当地进行确定。例如，虽然当第一环形部分290仅包括一个环形导电扇区时第二环形部分294的导电扇区的数量不受限制，但是当第一环形部分290包括多个环形导电扇区时，第二环形部分294的环形导电扇区的数量应该优选地不是第一环形部分290的环形导电扇区的数量的整数倍，以避免所得到的正弦信号和余弦信号中的重叠零点，这在对输出进行采样时将难以区分。例如，如果在第一环形部分290中存在3个环形导电扇区，则在第二环形部分294中的环形导电扇区的数量应该优选地不是3的整数倍。

在角位置传感器200的操作中，当可旋转感应耦合元件250被定位在角位置传感器200的第一平面励磁线圈110和第二平面励磁线圈105与第一平面感测线圈120和第二平面感测线圈115之间所建立的时变磁场内时，在第一平面感测线圈120和第二平面感测线圈115的绕组部分被可旋转感应耦合元件250的环形导电扇区220、222、224、226、228、230、245覆盖的区域中产生磁场的变化。将可旋转感应耦合元件250定位在磁场内会在可旋转感应耦合元件250中感生涡电流，这会抑制由可旋转感应耦合元件250的环形导电扇区220、222、224、226、228、230、245覆盖的第一平面感测线圈120和第二平面感测线圈115的绕组部分的区域中的时变磁场。由于可旋转感应耦合元件250的环形导电扇区220、222、224、226、228、230、245中的涡电流的感生，因此在由可旋转感应耦合元件250的环形导电扇区220、222、224、226、228、230、245覆盖的第一平面感测线圈120和第二平面感测线圈115的绕组部分中感生的时变电压被衰减，并且在未由可旋转感应耦合元件350的环形导电扇区220、222、224、226、228、230、245覆盖的第一平面感测线圈120和第二平面感测线圈115的绕组部分中感生的时变电压(即，由环形非导电扇区202、204、206、208、210、212、240之一覆盖的那些绕组部分)未被衰减。

分别参考图3A和图3B示出了第一平面励磁线圈110和第二平面励磁线圈105的详细视图。在各种实施方案中，本发明的角位置传感器200的线圈设计100的平面励磁线圈105、110可在多层基板(诸如印刷电路板(PCB))上实施。印刷电路板的蚀刻在本领域中通常是已知的，以形成在单层或多层基板上具有期望图案的导电迹线。

在图3A所示的实施方案中，第一平面励磁线圈110可包括一个或多个绕组匝，并且第一平面励磁线圈110的绕组匝可被定位在PCB基板的第一层上和第二层上，其中PCB基板的第一层和第二层通过通孔515连接，如本领域公知的。在所示实施方案中，假定第一平面励磁线圈110的以黑色示出的部分位于PCB结构的第一层上，并且假定第一平面励磁线圈110的以白色示出的部分位于PCB基板的第二层上。因此，第一平面励磁线圈110可包括在PCB基板的第一层上的逆时针绕组部分505和在PCB基板的第二层上的顺时针绕组部分510。在操作中，由第一集成电路130以输入电压500向第一平面励磁线圈110提供电压，以便以期望的频率激励第一平面励磁线圈110。在操作中，由第一集成电路130以与第一平面励磁线圈110的公共输入500向第一平面励磁线圈110提供相对于地507的电压，以便以期望的频率激励第一平面励磁线圈110。

在图3B所示的实施方案中，第二平面励磁线圈105可包括一个或多个绕组匝，并且第二平面励磁线圈105的绕组匝可被定位在PCB基板的第一层上和第二层上，其中PCB基板的第一层和第二层通过通孔530连接，如本领域公知的。在所示实施方案中，假定第二平面励磁线圈105的以黑色示出的部分位于PCB结构的第一层上，并且假定第二平面励磁线圈105的以白色示出的部分位于PCB基板的第二层上。第二平面励磁线圈105可包括在PCB基板的第一层上的逆时针绕组部分525和在PCB基板的第二层上的顺时针绕组部分520。在操作中，由第二集成电路135以公共输入500向第二平面励磁线圈105提供电压，以便以期望的频率激励第二平面励磁线圈105。

分别参考图4A和图4B示出了第一平面感测线圈对120和第二平面感测线圈对115的详细视图。在各种实施方案中，本发明的角位置传感器200的线圈设计100的平面感测线圈对115、120可在多层基板(诸如印刷电路板(PCB))上实施。印刷电路板的蚀刻在本领域中通常是已知的，以形成在单层或多层基板上具有期望图案的导电迹线。

在图4A所示的实施方案中，第一平面感测线圈对120包括正弦感测线圈610和余弦感测线圈605，并且正弦感测线圈610和余弦感测线圈605中的每一者可包括一个或多个绕组匝。正弦感测线圈610线圈对120的绕组匝可被定位在PCB基板的第一层上和第二层上，其中第一层和第二层通过一个或多个通孔620、622、635、636、642、643连接，并且余弦感测线圈605可被定位在PCB基板的第一层上和第二层上，其中第一层和第二层通过一个或多个通孔615、617、637、638、639、641连接，如本领域中公知的。在所示实施方案中，假定正弦感测线圈610和余弦感测线圈605的以黑色示出的部分位于PCB结构的第一层上，并且假定以白色示出的部分位于PCB基板的第二层上。线圈对120的正弦感测线圈610和余弦感测线圈605中的每一者包括逆时针绕组部分和顺时针绕组部分。沿着正弦感测线圈610中的信号路径的电流方向在交叉通孔620、622处改变。例如，正弦感测线圈610中的电流方向在交叉通孔622处从逆时针625变为顺时针630。另外，沿着余弦感测线圈605中的单个路径的电流方向在交叉通孔615、617处改变。例如，余弦感测线圈605中的电流方向在交叉通孔615处从逆时针627变为顺时针632。在操作中，响应于通过第一平面励磁线圈110以及可旋转感应耦合元件250的位置在第一平面感测线圈对120附近建立的时变磁场，在第一平面感测线圈对120中感生出时变电压。第一平面感测线圈对120提供经调制的正弦信号作为来自正弦感测线圈610的输出，并且提供经调制的余弦信号作为来自余弦感测线圈605的输出。由第一平面感测线圈对120生成的经调制的正弦信号和经调制的余弦信号是由图1所示的第一集成电路130进行感测的。在该实施方案中，由第一平面感测线圈对120提供的经调制的信号被认为是用于确定可旋转感应耦合元件250的角位置的粗略信号。

在图4B所示的实施方案中，第二平面感测线圈对115包括正弦感测线圈640和余弦感测线圈645，并且正弦感测线圈640和余弦感测线圈645中的每一者可包括一个或多个绕组匝。正弦感测线圈640的绕组匝可被定位在PCB基板的第一层上和第二层上，其中绕组匝通过一个或多个通孔901、902、905、906、909、910、913、914、917、918、921、922、925、926、927、928、931、932、937、938、941、942、945、946、948连接，并且余弦感测线圈645可被定位在PCB基板的第一层上和第二层上，其中第一层和第二层通过一个或多个通孔903、904、907、908、911、912、915、916、919、920、923、924、929、930、933、934、935、936、939、940、943、944、947、949、950连接，如本领域中公知的。在所示实施方案中，假定正弦感测线圈640和余弦感测线圈645的以黑色示出的部分位于PCB结构的第一层上，并且假定以白色示出的部分位于PCB基板的第二层上。正弦感测线圈640和余弦感测线圈640中的每一者包括逆时针绕组部分和顺时针绕组部分。沿着正弦感测线圈640中的信号路径的电流方向在交叉通孔925、926处改变。例如，正弦感测线圈640中的电流方向在交叉通孔925处从顺时针变为逆时针，并且在交叉通孔926处从逆时针变为顺时针。另外，沿着余弦感测线圈645中的单个路径的电流方向在交叉通孔933、934处改变。例如，余弦感测线圈645中的电流方向在交叉通孔934处从逆时针变为顺时针，并且在交叉通孔933处从顺时针变为逆时针。线圈对115在操作中，响应于通过第二励磁线圈105以及可旋转感应耦合元件250的位置在第二平面感测线圈对115附近建立的时变磁场，在第二平面感测线圈对115中感生出时变电压。第二平面感测线圈对115在第一输出640处提供经调制的正弦信号，并且在第二输出645处提供经调制的余弦信号。由第二平面感测线圈对115生成的经调制的正弦信号和经调制的余弦信号是由图1所示的第二集成电路135进行感测的。在该实施方案中，由第二平面感测线圈对115提供的经调制的信号被认为是用于确定可旋转感应耦合元件250的角位置的精细信号。

图5示出了根据本发明的角位置传感器的线圈设计300的另一示例性实施方案。在图2A和图2B所示的先前实施方案中，可旋转感应耦合元件250的励磁线圈105、110、传感器线圈115、120以及孔202、204、206、208、210、212的布局被设计成建立60°传感器。在图5的实施方案中，可旋转感应耦合元件390(在图6中示出)的励磁线圈305、310、传感器线圈315、320以及孔302、304、306、308的布局被设计成建立90°传感器。如图5所示，线圈设计300包括两个环形传感器350、360。两个环形传感器350、360中的每一者包括平面励磁线圈和平面感测线圈。响应于可旋转感应耦合元件的几何形状和定位，两个环形传感器350、360中的一者提供粗略角位置测量信号，而另一个环形传感器提供精细角位置测量信号。

在图5所示的实施方案中，本发明的角位置传感器的线圈设计300包括第一环形传感器360，该第一环形传感器包括形成圆形内部区域的第一平面励磁线圈310和定位在由第一平面励磁线圈310形成的圆形内部区域内的第一平面感测线圈对320。第一平面感测线圈对320的每个平面感测线圈包括顺时针绕组部分和逆时针绕组部分。角位置传感器的线圈设计300另外包括第二环形传感器350，该第二环形传感器包括定位成环绕第一平面励磁线圈310的第二平面励磁线圈305和定位在第一平面励磁线圈310与第二平面励磁线圈305之间的第二平面感测线圈对315。第二平面感测线圈对315的每个平面感测线圈包括顺时针绕组部分和逆时针绕组部分。

角位置传感器的线圈设计300另外可包括耦合到角位置传感器的第一环形传感器360和第二环形传感器350的电路系统325。在存在可旋转感应耦合元件(通常被称为目标)的情况下，电路系统325向第一环形传感器360的第一平面励磁线圈310和第二环形传感器350的第二平面励磁线圈305提供励磁信号，并且从第一环形传感器360的第一平面感测线圈对320和第二环形传感器350的第二平面感测线圈对315接收经调制的正弦输出信号和余弦输出信号。电路系统325提供输入电压以在第一特定频率下激励第一平面感测线圈310，并且在存在覆盖第一平面感测线圈对320的可旋转感应耦合元件的情况下，电路系统325可感测在第一平面感测线圈对320中感生的时变电压，作为经调制的正弦输出信号和余弦输出信号。另外，电路系统325提供输入电压以在第二特定频率下激励第二平面励磁线圈305，并且在存在覆盖第二平面感测线圈对315的可旋转目标的情况下，电路系统125可感测在第二平面感测线圈对315中感生的经调制的正弦输出信号和余弦输出信号。

在图6A中示出了示例性环形位置传感器400，包括在图5中示出的线圈设计300和可旋转感应耦合元件390，该可旋转感应耦合元件被定位成与第一平面感测线圈对320和第二平面感测线圈对315成重叠关系并且与它们分离。可旋转感应耦合元件390可由非铁磁性导电材料制成，包括但不限于铝、黄铜、铜和不锈钢以及在本领域中已知的其他非铁磁性导电材料。通常，可旋转感应耦合元件390可由任何材料制成，这些材料在其被放置在第一平面励磁线圈310和第二平面励磁线圈305附近的时变磁场中时能有效地改变在第一平面感测线圈对320和第二平面感测线圈对315的绕组部分中感生的时变电压。可旋转感应耦合元件390被定位在第一平面感测线圈对(320)和第二平面感测线圈对(315)上方，并且通过间隙与第一平面感测线圈对320和第二平面感测线圈对315分离。

在图6A的示例性实施方案中，可旋转感应耦合元件390包括第一环形部分405，该第一环形部分包括至少一个环形导电扇区345和至少一个环形非导电扇区340。可旋转感应耦合元件390还包括第二环形部分410，该第二环形部分包括多个环形导电扇区320、322、324和326。第一环形部分405和第二环形部分410通过第三环形部分407连接。第三环形部分407包括360°导电环，该导电环将第一环形部分405的环形导电扇区345连接到第二环形部分410的多个环形导电扇区320、322、324、326，从而提供使涡电流在第一环形部分405与第二环形部分410之间通过的路径。环形导电扇区320、322、324和326中的每一者围绕第二环形部分410基本上均匀地间隔开并且分别由相应的环形非导电扇区302、304、306和308分量，即，导电扇区320、322、324和326中的每一者的径向截面基本上相等，并且导电扇区320、322、324和326中的每一者之间的角间隔基本上相等。虽然在图6A所示的实施方案中，第二环形部分410被定位成与第二平面感测线圈对315成重叠关系，并且第一环形部分405被定位成与第一平面感测线圈对320成重叠关系，但这并不旨在进行限制。因此，在本发明的范围内考虑了将第二环形部分410定位成与第一平面感测线圈对320成重叠关系并且将第一环形部分405定位成与第二平面感测线圈对315成重叠关系。

在图6A所示的示例性实施方案中，第二环形部分410的环形导电扇区320、322、324和326以及第一环形部分405的环形导电扇区345由非铁磁导电材料组成。另外，第二环形部分410的环形非导电扇区302、304、306和308以及第一环形部分405的环形非导电扇区340是非铁磁导电材料中的空隙。

在示例性实施方案中，环形位置传感器400的第一环形部分405包括从可旋转感应耦合元件350的纵向旋转轴线径向地延伸到第三环形部分407的开始处的单个环形导电扇区345，第三环形部分407延伸到第二环形部分410的开始处，并且环形位置传感器400的第二环形部分410包括四个环形导电扇区320、322、324和326。第一环形部分405的环形导电扇区345的角度为180°，并且第一环形部分405的环形非导电扇区340的角度为180°。另外，第二环形部分410的四个环形导电扇区320、322、324和326中的每一者的角度可任选地为45°或67.5°。第二环形部分410的四个相邻环形导电扇区和环形非导电扇区中的每一者形成90°传感器480。例如，如果环形导电扇区320具有45°的角度，则相邻的环形非导电扇区302将具有45°的角度以建立90°传感器480，并且如果环形导电扇区320具有67.5°的角度，则相邻的环形非导电扇区302将具有22.5°的角度以建立90°传感器480。角度45°或67.5°不意味着以任何方式进行限制，并且在不超出范围的情况下可使用其他组合。

当可旋转感应耦合元件350的第一环形部分405被定位成与第一平面感测线圈对320成重叠关系，并且可旋转感应耦合元件350的第二环形部分410被定位成与第二平面感测线圈对315成重叠关系时，建立具有180°环形导电扇区345和180°环形非导电扇区340的360°传感器，并且建立四个90°传感器480，其各自具有45°环形导电扇区320和45°环形非导电扇区302，或者各自具有67.5°环形导电扇区320和22.5°环形非导电扇区302。对于可旋转感应耦合元件350的每次旋转，一个经调制的正弦信号和余弦信号被第一平面感测线圈对320提供作为输出，并且四个经调制的正弦信号和余弦信号被第二平面感测线圈对315提供作为输出。由可旋转感应耦合元件350在第一平面感测线圈对320上的旋转提供的经调制的正弦信号和余弦信号被称为粗略输出信号，并且由可旋转感应耦合元件350在第二平面感测线圈对315上的旋转提供的经调制的正弦信号和余弦信号被称为精细输出信号。因此，在图6A所示的实施方案中，粗略输出信号与精细输出信号的比率为1：4，并且对于可旋转感应耦合元件350的每次完整旋转，对于由第一环形部分405提供的每一个正弦波形和余弦波形，由第二环形部分410提供四个正弦波形和余弦波形。

粗略正弦波形和余弦波形以及精细正弦波形和余弦波形被集成以提高角位置传感器400的分辨率。例如，使用模数转换器(ADC)对集成波形进行采样将提高所得到的数字示例的分辨率。如果是1：4的粗-细比输出的情况，则分辨率增加2位。应注意，该比率并不旨在进行限制，并且粗-细比可基于定制要求。

另外，虽然图6A中所示的环形位置传感器400在可旋转感应耦合元件390的第一环形部分405中仅包括一个环形导电扇区345，但这并不旨在进行限制。第一环形部分405可包括多个环形导电扇区，并且第二环形部分410的导电扇区将适当地进行确定。例如，虽然当第一环形部分405仅包括一个环形导电扇区时第二环形部分410的环形导电扇区的数量不受限制，但是当第一环形部分405包括多个环形导电扇区时，第二环形部分410的环形导电扇区的数量优选地应该不是第一环形部分410的环形导电扇区的数量的整数倍，以避免所得到的正弦信号和余弦信号中的重叠零点，这在对输出进行采样时将难以区分。例如，如果在第一环形部分405中存在2个导电部分，则在第二环形部分410中的导电部分的数量应该优选地不是2的整数倍。

在角位置传感器400的操作中，当可旋转感应耦合元件390被定位在角位置传感器400的第一平面励磁线圈310和第二平面励磁线圈305与第一平面感测线圈320和第二平面感测线圈315之间所建立的时变磁场内时，在第一平面感测线圈320和第二平面感测线圈315的绕组部分被可旋转感应耦合元件390的相应环形导电部分320、322、324、326覆盖的区域中产生磁场的变化。将可旋转感应耦合元件390定位在磁场内会在可旋转感应耦合元件390中感生涡电流，这会抑制由可旋转感应耦合元件350的环形导电部分320、322、324、326、345覆盖的第一平面感测线圈320和第二平面感测线圈315的绕组部分的区域中的时变磁场。由于可旋转感应耦合元件390的环形导电部分320、322、324、326、345中的涡电流的感生，因此在由可旋转感应耦合元件390的环形导电部分320、322、324、326、345覆盖的第一平面感测线圈320和第二平面感测线圈315的绕组部分中感生的时变电压被衰减，并且在未由可旋转感应耦合元件390的环形导电部分320、322、324、326、345覆盖的第一平面感测线圈320和第二平面感测线圈315的绕组部分中感生的时变电压(即，由环形非导电部分302、304、306、308和340之一覆盖的那些绕组部分)未被衰减。如上所述，第三环形部分407将第一环形部分405的环形导电扇区345连接到第二环形部分410的多个环形导电扇区320、322、324、326，从而提供使涡电流在第一环形部分405与第二环形部分410之间通过的路径，然而，由于第一平面感测线圈对320与第二平面感测线圈对315之间的电隔离，所以在包括覆盖第一平面感测线圈对320的第一环形部分405的粗略传感器与包括覆盖第二平面感测线圈对315的第二环形部分410的精细传感器之间不存在可感知的串扰。

在图6B所示的替代实施方案中，可旋转感应耦合元件391的第一环形部分406可包括多个环形导电扇区321、323、325、327并且由环形非导电扇区303、307、309、311分离，并且第二环形部分411可仅包括一个环形导电扇区346。第一环形部分406的导电扇区321、323、325、327以及第二环形部分411的导电扇区346通过第三环形部分408连接，该第三环形部分也是导电的。具体地，可旋转感应耦合元件391的第一环形部分406的每个环形导电扇区321、323、325、327可具有45°的角度，并且第二环形部分411的环形导电扇区346可具有180°的角度。感测线圈对位于第一环形部分406和第二环形部分411下方。第三环形部分408将第一环形部分406的导电部分321、323、325、327彼此连接并且连接到第二环形部分411的导电扇区346，从而提供用于涡电流的路径。然而，由于平面感测线圈对之间的电隔离，所以在包括覆盖相应感测线圈对的第二环形部分411的粗略传感器与包括覆盖相应平面感测线圈对的第一环形部分406的精细传感器之间不存在可感知的串扰。

图7示出了用于处理在图1和图2中示出的角位置传感器200的输出信号的系统700，其中x轴表示可旋转感应耦合元件250的旋转度数，并且y轴表示所接收的相应信号的振幅。如图所示，角位置传感器200的第一环形传感器160在可旋转感应耦合元件250的一次旋转期间生成正弦信号705和余弦信号710的一个周期。另外，角位置传感器200的第二环形传感器150在可旋转感应耦合元件250的一次旋转期间生成正弦信号715和余弦信号720的六个周期。来自第一环形传感器160的信号被用于解析可旋转感应耦合元件250的粗略位置，并且来自第二环形传感器150的信号被用于解析可旋转感应耦合元件250的精细位置。来自第一环形传感器160的正弦信号705和余弦信号710以及来自第二环形传感器150的正弦信号715和余弦信号720被提供给微处理器725。微处理器725可包括用于将模拟正弦信号和余弦信号转换为数字信号的模数转换器(ADC)730。微处理器还可包括(ATTAN2)电路系统735，该电路系统用于获取来自第一环形传感器160的数字正弦信号705和余弦信号710的反正切以计算可旋转感应耦合元件250的粗略位置，并且用于获取来自第二环形传感器150的数字正弦信号715和余弦信号720的反正切以计算可旋转感应耦合元件的精细位置。可旋转感应耦合元件250的粗略位置和精细位置然后可利用游标算法来进行组合，以提供可旋转感应耦合元件250的位置。通常，由第一环形传感器160提供的角度信息提供粗略角位置信息，并且由第二环形传感器150提供的信息提供精细角位置信息，这些角位置信息然后由游标算法处理以输出位置信息。还可包括用于实现各种其他算法740的硬件和软件。通过用ADC 730对信号采样并且计算由角位置传感器200提供的数字化正弦信号和余弦信号的反正切，微处理器725生成可旋转感应位置元件250的绝对位置信息作为输出750。

图8A和图8B示出了根据本发明的实施方案的用于感测可旋转感应耦合元件的角位置的方法800的流程图。

在图8A的操作805处，该方法包括在第一环形传感器中建立磁耦合，该第一环形传感器包括第一平面励磁线圈和定位在由该第一平面励磁线圈形成的圆形内部区域内的第一平面感测线圈对。参考图1，提供了第一环形传感器160，该第一环形传感器包括第一平面励磁线圈110、第一平面感测线圈对120和用于在第一环形传感器160中建立磁耦合的电路系统125的第一集成电路130。

在图8A的操作810处，该方法包括在第二环形传感器中建立磁耦合，该第二环形传感器包括第二平面励磁线圈和定位在由该第二平面励磁线圈形成的圆形内部区域内的第二平面感测线圈对，其中第二环形传感器被定位成环绕第一环形传感器。参考图1，提供了第二环形传感器150，该第二环形传感器包括第二平面励磁线圈105、第二平面感测线圈对115和用于在第二环形传感器160中建立磁耦合的电路系统125的第二集成电路135。

在图8A的操作815处，该方法继续进行，将可旋转感应耦合元件定位成与第一环形传感器和第二环形传感器成重叠关系并且与第一环形传感器和第二环形传感器分离，该可旋转感应耦合元件包括第一环形部分和第二环形部分，该第一环形部分包括至少一个环形导电扇区和至少一个环形非导电扇区，该第二环形部分包括至少一个环形导电扇区和至少一个环形非导电扇区，并且其中第二环形部分的环形导电扇区的数量不同于第一环形部分的环形导电扇区的数量。任选地，当第二环形部分的环形导电扇区的数量大于第一环形部分的环形导电扇区的数量并且第一环形部分的环形导电扇区的数量大于一时，则第二环形部分的环形导电扇区的数量不是第一环形部分的环形导电扇区的数量的整数倍。另选地，当第一环形部分的环形导电扇区的数量大于第二环形部分的环形导电扇区的数量并且第二环形部分的环形导电扇区的数量大于一时，则第一环形部分的环形导电扇区的数量不是第二环形部分的环形导电扇区的数量的整数倍。参考图2，可旋转感应耦合元件250被定位成与第一环形传感器160和第二环形传感器150成重叠关系并且与它们分离。可旋转感应耦合元件250包括第一环形部分290和第二环形部分294，该第一环形部分包括一个环形导电扇区245和一个环形非导电扇区240，该第二环形部分包括六个环形导电部分220、222、224、226、228、230和六个环形非导电部分202、204、206、208、210、212，环形非导电部分202、204、206、208、210、212中的每一者环形地定位在环形导电部分220、222、224、226、228、230中相应的两个环形导电部分之间。

在图8B的操作820处，该方法包括使可旋转感应耦合元件旋转，以生成粗略分辨率正弦信号和余弦信号，可旋转感应耦合元件每次旋转的周期数量等于可旋转感应耦合元件的第一环形部分的导电扇区的数量，并且以生成精细分辨率正弦信号和余弦信号，可旋转感应耦合元件每次旋转的周期数量等于可旋转感应耦合元件的第二环形部分的导电扇区的数量。参考图7，示出了由第一环形传感器160生成正弦信号705和余弦信号710以确定粗略角分辨率，并且由第二环形传感器150生成正弦信号715和余弦信号720以确定精细角分辨率。

在图8B的操作825处，该方法通过使用粗略分辨率正弦信号和余弦信号以及精细分辨率正弦信号和余弦信号来确定可旋转感应耦合元件的角位置而结束。如图7所示，微处理器725可用于根据由角位置传感器200提供的正弦信号和余弦信号确定角位置。具体地，可在微处理器725中实现算法740(诸如游标算法)，以计算从粗略分辨率正弦信号和余弦信号以及精细分辨率正弦信号和余弦信号提取的累积位置信息。通常，由粗略分辨率正弦信号和余弦信号提供的粗略位置信息被添加到由精细分辨率正弦信号和余弦信号提供的精细位置信息，以确定可旋转感应耦合元件的实际位置。

本发明的系统和方法提供了一种改进的非接触式感应角位置传感器，该感应角位置传感器利用可在多层印刷电路板(PCB)上实施的平面线圈组件来提供改进的准确度并允许更大的间隙。该间隙可以是气隙或可包括真空或流体填充区域，但不限于此。

在一个实施方案中，角位置传感器的各部分可在集成电路中实现为单个半导体管芯。另选地，集成电路可包括电耦合在一起的多个半导体管芯，诸如封装在单个集成电路封装中的多芯片模块。

本发明的系统和方法提供了一种改进的非接触式感应角位置传感器，该感应角位置传感器利用可在多层印刷电路板(PCB)上实施的平面线圈组件，通过建立与精细输出信号集成的粗略输出信号来提供改进的准确度和分辨率。

在各种实施方案中，本发明的系统的部分可在现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)中实现。本领域技术人员应当理解，电路元件的各种功能也可被实现为软件程序中的处理步骤。此类软件可用于例如数字信号处理器、微控制器或通用计算机中。

除非如从讨论中显而易见的另有特别说明，否则应当理解，在整个本说明书中，利用诸如“测量”、“确定”、“生成”、“应用”、“发送”、“编码”、“锁定”等的术语的讨论可以指计算机系统或类似电子计算设备的动作和过程，该计算机系统或类似电子计算设备将表示为计算机系统的寄存器和存储器内的物理(电子)量的数据操纵和转化成类似地表示为计算机系统存储器或寄存器或者其他此类信息存储、传输或显示设备内的物理量的其他数据。

此外，为了讨论和理解本发明的实施方案，应当理解，本领域技术人员使用各种术语来描述技术和方法。此外，在本说明书中，为了进行解释，阐述了许多具体细节以便提供本发明的透彻理解。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在一些情况下，为了避免模糊本发明，以框图形式而不是详细地示出熟知的结构和设备。充分详细地描述了这些实施方案以使得本领域普通技术人员能够实践本发明，并且应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施方案，并且可以作出逻辑、机械、电气和其他改变。

Claims (28)

1.一种角位置传感器，包括：

第一环形传感器；

第二环形传感器，所述第二环形传感器被定位成环绕所述第一环形传感器；

可旋转感应耦合元件，所述可旋转感应耦合元件被定位成与所述第一环形传感器和所述第二环形传感器成重叠关系并且通过间隙与所述第一环形传感器和所述第二环形传感器分离，所述可旋转感应耦合元件包括：

第一环形部分，所述第一环形部分包括至少一个环形导电扇区和至少一个环形非导电扇区；和

第二环形部分，所述第二环形部分包括至少一个环形导电扇区和至少一个环形非导电扇区，并且其中所述第二环形部分的环形导电扇区的数量不同于所述第一环形部分的导电扇区的数量。

2.根据权利要求1所述的角位置传感器，其中所述第一环形传感器包括：

第一平面励磁线圈，所述第一平面励磁线圈形成圆形内部区域；和

第一平面感测线圈对，所述第一平面感测线圈对被定位在所述圆形内部区域内，所述第一平面感测线圈对包括余弦感测线圈和正弦感测线圈，所述余弦感测线圈和所述正弦感测线圈中的每一者分别包括顺时针绕组部分和逆时针绕组部分。

3.根据权利要求1所述的角位置传感器，其中所述第二环形传感器包括：

第二平面励磁线圈，所述第二平面励磁线圈被定位成环绕所述第一平面励磁线圈；和

第二平面感测线圈对，所述第二平面感测线圈对被定位在所述第一平面励磁线圈与所述第二平面励磁线圈之间，所述平面感测线圈对包括余弦感测线圈和正弦感测线圈，所述余弦感测线圈和所述正弦感测线圈中的每一者包括相应的顺时针绕组部分和相应的逆时针绕组部分。

4.根据权利要求1所述的角位置传感器，其中所述第二环形部分的所述环形导电扇区的数量大于所述第一环形部分的导电扇区的数量，并且其中，当所述第一环形部分的所述环形导电扇区的数量大于一时，所述第二环形部分的所述环形导电扇区的数量不是所述第一环形部分的所述环形导电扇区的数量的整数倍。

5.根据权利要求1所述的角位置传感器，其中所述第一环形部分的所述环形导电扇区的数量大于所述第二环形部分的导电扇区的数量，并且其中，当所述第二环形部分的所述环形导电扇区的数量大于一时，所述第一环形部分的所述环形导电扇区的数量不是所述第二环形部分的所述环形导电扇区的数量的整数倍。

6.根据权利要求1所述的角位置传感器，其中所述可旋转感应耦合元件的所述第一环形部分的所述环形导电扇区和所述第二环形部分的所述环形导电扇区是由非铁磁导电材料组成的。

7.根据权利要求1所述的角位置传感器，其中所述可旋转感应耦合元件的所述第一环形部分的所述环形非导电扇区和所述第二环形部分的所述环形非导电扇区是由选自介电材料和空气的材料组成的。

8.根据权利要求1所述的角位置传感器，其中所述可旋转感应耦合元件的所述第一环形部分和所述第二环形部分通过由介电材料组成的第三环形部分彼此分离。

9.根据权利要求1所述的角位置传感器，其中所述可旋转感应耦合元件的所述第一环形部分和所述第二环形部分是连续的。

10.根据权利要求1所述的角位置传感器，其中所述可旋转感应耦合元件的所述第一环形部分的所述至少一个环形导电扇区包括多个环形导电扇区，并且其中所述第一环形部分的所述多个环形导电扇区中的每个环形导电扇区在所述第一环形部分上基本上均匀地间隔开。

11.根据权利要求1所述的角位置传感器，其中所述可旋转感应耦合元件的所述第二环形部分的所述多个环形导电扇区围绕所述第二环形部分基本上均匀地间隔开。

12.根据权利要求1所述的角位置传感器，其中所述可旋转感应耦合元件的所述第一环形部分的所述至少一个环形导电扇区占所述第一环形部分的总面积的选自50％和75％的百分比。

13.根据权利要求1所述的角位置传感器，其中所述可旋转感应耦合元件的所述第二环形部分的所述至少一个环形导电扇区占所述第二环形部分的总面积的选自50％和75％的百分比。

14.根据权利要求1所述的角位置传感器，其中所述可旋转感应耦合元件的所述第一环形部分包括一个270°环形导电扇区，并且其中所述可旋转感应耦合元件的所述第二环形部分包括围绕所述第二环形部分基本上均匀地间隔开的六个30°环形导电扇区。

15.根据权利要求1所述的角位置传感器，其中所述可旋转感应耦合元件的所述第一环形部分包括一个270°环形导电扇区，并且其中所述可旋转感应耦合元件的所述第二环形部分包括围绕所述第二环形部分基本上均匀地间隔开的六个45°环形导电扇区。

16.根据权利要求1所述的角位置传感器，其中所述可旋转感应耦合元件的所述第一环形部分包括一个180°环形导电扇区，并且其中所述可旋转感应耦合元件的所述第二环形部分包括围绕所述第二环形部分基本上均匀地间隔开的四个45°环形导电扇区。

17.根据权利要求1所述的角位置传感器，其中所述可旋转感应耦合元件的所述第一环形部分被定位成与所述第一环形传感器成重叠关系并且与所述第一环形传感器分离，并且所述可旋转感应耦合元件的所述第二环形部分被定位成与所述第二环形传感器成重叠关系并且与所述第二环形传感器分离。

18.根据权利要求1所述的角位置传感器，其中所述可旋转感应耦合元件的所述第二环形部分被定位成与所述第一环形传感器成重叠关系并且与所述第一环形传感器分离，并且所述可旋转感应耦合元件的所述第一环形部分被定位成与所述第二环形传感器成重叠关系并且与所述第二环形传感器分离。

19.根据权利要求1所述的角位置传感器，其中所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈各自包括顺时针绕组部分和逆时针绕组部分。

20.根据权利要求1所述的角位置传感器，其中所述第一环形传感器包括形成圆形内部区域的第一平面励磁线圈和定位在所述圆形内部区域内的第一平面感测线圈对，所述第一平面感测线圈对包括相应的余弦感测线圈和相应的正弦感测线圈，所述第一平面感测线圈对的所述相应的余弦感测线圈和所述相应的正弦感测线圈中的每一者包括顺时针绕组部分和逆时针绕组部分，并且所述第二环形传感器包括被定位成环绕所述第一平面励磁线圈的第二平面励磁线圈和定位在所述第一平面励磁线圈与所述第二平面励磁线圈之间的第二平面感测线圈对，所述第二平面感测线圈对包括相应的余弦感测线圈和相应的正弦感测线圈，所述第二平面感测线圈对的所述相应的余弦感测线圈和所述相应的正弦感测线圈中的每一者包括相应的顺时针绕组部分和相应的逆时针绕组部分，所述角位置传感器还包括：

电路系统，所述电路系统耦合到所述第一平面励磁线圈、所述第二平面励磁线圈、所述第一平面感测线圈对和所述第二平面感测线圈对，所述电路系统用于：

向所述第一平面励磁线圈和所述第二平面励磁线圈提供励磁信号以生成交流电(AC)磁场；

感测响应于所述可旋转感应耦合元件的旋转而在所述第一平面感测线圈对和所述第二平面感测线圈对中感生的经调制的正弦波形和余弦波形。

21.一种用于确定可旋转感应耦合元件的角位置的方法，所述方法包括：

在第一环形传感器中建立磁耦合，所述第一环形传感器包括第一平面励磁线圈和第一平面感测线圈对，所述第一平面感测线圈对包括相应的余弦感测线圈和相应的正弦感测线圈，所述第一平面感测线圈对的所述相应的余弦感测线圈和所述相应的正弦感测线圈中的每一者包括相应的顺时针绕组部分和相应的逆时针绕组部分；

在第二环形传感器中建立磁耦合，所述第二环形传感器包括第二平面励磁线圈和第二平面感测线圈对，其中所述第二环形传感器被定位成环绕所述第一环形传感器，所述第二平面感测线圈对包括相应的余弦感测线圈和相应的正弦感测线圈，所述第二平面感测线圈对的所述余弦感测线圈和所述正弦感测线圈中的每一者包括相应的顺时针绕组部分和相应的逆时针绕组部分；

将可旋转感应耦合元件定位成与所述第一环形传感器和所述第二环形传感器成重叠关系并且与所述第一环形传感器和所述第二环形传感器分离，所述可旋转感应耦合元件包括第一环形部分和第二环形部分，所述第一环形部分包括至少一个环形导电扇区和至少一个环形非导电扇区，所述第二环形部分包括至少一个环形导电扇区和至少一个环形非导电扇区，并且其中所述第二环形部分的环形导电扇区的数量不同于所述第一环形部分的环形导电扇区的数量；

使所述可旋转感应耦合元件旋转，以生成粗略分辨率正弦信号和余弦信号，所述可旋转感应耦合元件每次旋转的周期数量等于所述可旋转感应耦合元件的所述第一环形部分和所述第二环形部分中的第一者的环形导电扇区的数量，并且以生成精细分辨率正弦信号和余弦信号，所述可旋转感应耦合元件每次旋转的周期数量等于所述可旋转感应耦合元件的所述第一环形部分和所述第二环形部分中的第二者的环形导电扇区的数量；以及

使用所述粗略分辨率正弦信号和余弦信号以及所述精细分辨率正弦信号和余弦信号来确定所述可旋转感应耦合元件的角位置。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述第一平面感测线圈对被定位在由所述第一平面励磁线圈形成的圆形内部区域内。

23.根据权利要求21所述的方法，其中所述第二平面感测线圈被定位在由所述第二平面励磁线圈形成的圆形内部区域内。

24.一种用于确定可旋转感应耦合元件的角位置的方法，所述方法包括：

在第一环形传感器中建立磁耦合，所述第一环形传感器包括第一平面励磁线圈和定位在由所述第一平面励磁线圈形成的圆形内部区域内的第一平面感测线圈对，所述第一平面感测线圈对包括相应的余弦感测线圈和相应的正弦感测线圈，所述第一平面感测线圈对的所述相应的余弦感测线圈和所述相应的正弦感测线圈中的每一者包括相应的顺时针绕组部分和相应的逆时针绕组部分；

在第二环形传感器中建立磁耦合，所述第二环形传感器包括第二平面励磁线圈和定位在由所述第二平面励磁线圈形成的圆形内部区域内的第二平面感测线圈对，其中所述第二环形传感器被定位成环绕所述第一环形传感器，所述第二平面感测线圈对包括相应的余弦感测线圈和相应的正弦感测线圈，所述第二平面感测线圈对的所述余弦感测线圈和所述正弦感测线圈中的每一者包括相应的顺时针绕组部分和相应的逆时针绕组部分；

将可旋转感应耦合元件定位成与所述第一环形传感器和所述第二环形传感器成重叠关系并且与所述第一环形传感器和所述第二环形传感器分离，所述可旋转感应耦合元件包括第一环形部分和第二环形部分，所述第一环形部分包括至少一个环形导电扇区和至少一个环形非导电扇区，所述第二环形部分包括至少一个环形导电扇区和至少一个环形非导电扇区，并且其中所述第二环形部分的环形导电扇区的数量不同于所述第一环形部分的环形导电扇区的数量；

使所述可旋转感应耦合元件旋转，以生成粗略分辨率正弦信号和余弦信号，所述可旋转感应耦合元件每次旋转的周期数量等于所述可旋转感应耦合元件的所述第一环形部分和所述第二环形部分中的第一者的环形导电扇区的数量，并且以生成精细分辨率正弦信号和余弦信号，所述可旋转感应耦合元件每次旋转的周期数量等于所述可旋转感应耦合元件的所述第一环形部分和所述第二环形部分中的第二者的环形导电扇区的数量；以及

使用所述粗略分辨率正弦信号和余弦信号以及所述精细分辨率正弦信号和余弦信号来确定所述可旋转感应耦合元件的角位置。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述可旋转感应耦合元件的所述第一环形部分被定位成与所述第一环形传感器成重叠关系并且与所述第一环形传感器分离，并且所述可旋转感应耦合元件的所述第二环形部分被定位成与所述第二环形传感器成重叠关系并且与所述第二环形传感器分离。

26.根据权利要求24所述的方法，其中所述可旋转感应耦合元件的所述第二环形部分被定位成与所述第一环形传感器成重叠关系并且与所述第一环形传感器分离，并且所述可旋转感应耦合元件的所述第一环形部分被定位成与所述第二环形传感器成重叠关系并且与所述第二环形传感器分离。

27.根据权利要求24所述的方法，其中所述第二环形部分的所述环形导电扇区的数量大于所述第一环形部分的所述环形导电扇区的数量，并且其中当所述第一环形部分的所述环形导电扇区的数量大于一时，所述第二环形部分的所述环形导电扇区的数量不是所述第一环形部分的所述环形导电扇区的数量的整数倍。

28.根据权利要求24所述的方法，其中所述第一环形部分的所述环形导电扇区的数量大于所述第二环形部分的所述环形导电扇区的数量，并且其中当所述第二环形部分的所述环形导电扇区的数量大于一时，所述第一环形部分的所述环形导电扇区的数量不是所述第二环形部分的所述环形导电扇区的数量的整数倍。