CN117295651A - 扭矩及角度感测装置 - Google Patents

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杰伊·贾姆希德·卡萨伊
格雷戈里·S·迪皮尤
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Abstract

本公开的各方面涉及扭矩及角度感测装置。该装置中结合有传感器和处理电路。传感器被配置成生成对第一角度和/或速度进行指示的第一信号。该装置包括输入接触部，该输入接触部被配置为接收对第二参考件的角度和/或速度进行指示的第二参考信号。处理电路被配置成基于至少第一信号和第二信号来生成扭矩的指示。在某些应用中，处理电路能够预编程和/或学习并存储参考信息，并且基于内部生成的第一信号和参考信息来生成扭矩的指示。该装置的输出接触部可以提供扭矩的指示。还公开了相关的系统和方法。

Description

扭矩及角度感测装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年5月7日提交的美国专利申请No.17/314,540的优先权，该专利申请的全部公开内容出于所有目的通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开的实施方式涉及使用传感器来测量扭矩。
背景技术
测量施加到轴的扭矩在多种应用中是有用的。一些示例应用是在运载工具中。例如，测量施加到轴的扭矩可以用于轮速感测，这可以是动态制动控制系统的重要输入，动态制动控制系统例如为防抱死制动系统(ABS)、电子稳定系统(ESS)、转向角传感器(SAS)、高级驾驶辅助系统(ADAS)等。
某些扭矩测量系统强烈依赖于应用并且不够通用以用于类似应用内的不同配置中。现有的扭矩测量系统相对昂贵并且具有多种复杂性。因此，需要改进的扭矩测量系统。
发明内容
权利要求中描述的创新均具有多个方面，其中没有一个单独的方面对其所需的属性负责。在不限制权利要求的范围的情况下，现在将简要描述本公开的一些突出特征。
本公开的一个方面是一种对施加到轴的扭矩进行测量的方法。该方法包括利用第一传感器生成对与连接到轴的第一参考件相关联的角度和/或速度进行指示的第一信号。该方法还包括从第二传感器接收对与连接到轴的第二参考件相关联的角度和/或速度进行指示的第二信号。该方法还包括利用处理电路基于至少第一信号和第二信号来对施加到轴的扭矩的指示进行确定。第一传感器和处理电路被结合在装置中，并且第二传感器位于该装置的外部。
该方法可以包括将装置编程为主单元，其中该装置还可以编程为从单元。该装置可以配置为主单元，并且第二传感器可以被包括在从单元中。
第二传感器和第二处理电路可以被结合在第二装置内。该方法还可以包括通过处理电路对由第二处理电路产生的施加到轴的扭矩的第二指示与扭矩的指示进行比较。
对所述扭矩的指示进行确定可以包括对第一信号与第二信号之间的相位差进行检测。对所述扭矩的指示进行确定可以包括对存储在装置的存储器中的校准信息进行存取。
第一参考件可以是第一音轮。第二参考件可以是第二音轮。该轴可以位于运载工具中。该轴可以位于机器中。
该方法还可以包括使用所述装置的温度传感器对与所述装置相关联的温度的指示进行检测。该方法可以包括基于温度的指示来施加温度补偿。
本公开的另一方面是一种扭矩及角度传感器装置，该扭矩及角度传感器装置包括输入接触部、输出接触部、第一传感器和处理电路。输入接触部被配置为从外部装置接收对第二参考件的角度/速度进行指示的第二信号。输出接触部被配置为提供扭矩的指示。第一传感器被配置为生成对第一角度/速度进行指示的第一信号。处理电路被配置成基于至少第一信号和第二信号来生成扭矩的指示。第一传感器和处理电路被结合在装置内。
处理电路可以是可编程的以在第一模式中用作主单元并且在第二模式中用作从单元。处理电路可以被配置为基于将由处理电路确定的扭矩的第一指示与由外部装置生成的扭矩的第二指示进行比较来生成扭矩的指示。
传感器可以是可变磁阻传感器。传感器可以是磁传感器。传感器可以是电感传感器。传感器可以是光学传感器。
第一信号可以与连接至轴的第一音轮或磁轮相关联。第二信号可以与连接到轴的第二音轮或磁轮相关联。扭矩的指示可以代表施加到轴的扭矩。
处理电路和传感器都可以都被包括在扭矩及角度传感器装置的壳体内。
本公开的另一方面是一种用于对施加到轴的扭矩进行测量的系统。该系统包括扭矩及角度感测装置以及位于扭矩及角度感测装置外部的第二传感器。扭矩及角度感测装置包括第一传感器和处理电路。第一传感器被配置为生成对与连接到所述轴的第一参考件相关联的角度和/或速度进行指示的第一信号。处理电路被配置成基于至少第一信号和对与连接到轴的第二参考件相关联的角度和/或速度进行指示的第二信号来确定施加到轴的扭矩的指示。第二传感器被配置为生成第二信号。
第二传感器可以包括在第二扭矩及角度感测装置中。第二扭矩及角度感测装置可以被编程为从单元。
第二传感器可以被包括在第二扭矩及角度感测装置中，并且第二扭矩及角度感测装置可以被配置成产生施加到轴的扭矩的第二指示。扭矩及角度传感器装置可以被配置为将扭矩的指示与扭矩的第二指示进行比较。
第二传感器可以是独立传感器。
本公开的另一方面是一种对施加到轴的扭矩进行测量的方法。该方法包括利用与装置中的处理电路结合的传感器生成对与连接到轴的第一参考件相关联的角度和/或速度进行指示的第一信号。该方法还包括利用处理电路基于至少第一信号和第二信号来确定施加到轴的扭矩的指示。
该方法可以包括从装置外部的第二传感器接收第二信号。替代性地，第二信号可以由该装置生成，而无需外部传感器。该方法可以包括接收预编程信息并将预编程信息存储到存储器，其中第二信号表示预编程信息。
本公开的另一方面是用于对施加到轴的扭矩进行测量的扭矩及角度感测装置。扭矩及角度感测装置包括传感器及处理电路。传感器被配置为产生对与连接到轴的第一参考件相关联的角度和/或速度进行指示的第一信号。处理电路被配置成基于至少存储在扭矩及角度感测装置的存储器中的第二参考信息来和第一信号来确定施加到轴的扭矩的指示。传感器和处理电路被结合在扭矩及角度感测装置中。
第二参考信息可以被预编程。第二参考信息可以由扭矩及感测装置产生，而无需外部传感器。
下面参考附图更详细地描述这些和其他实施方式。为了概括本公开的目的，本文已经描述了本发明的某些方面、优点和新颖特征。应当理解，不一定根据任何特定实施方式来实现所有这些优点。因此，创新可以以实现或优化本文所教导的一个优点或一组优点的方式来体现或实施，而不必实现本文所教导或建议的其他优点。
附图说明
将参考附图以非限制性示例的方式描述本公开的实施方式。
图1是根据实施方式的扭矩及角度测量传感器(TAMS)装置的示意性框图。
图2A和图2B示出了根据实施方式的具有可变磁阻传感器的示例TAMS装置。图2C示出了图2A和图2B的TAMS装置，该TAMS装置具有在可变磁阻传感器附近旋转的音轮。
图3A是对从TAMS装置的音轮与可变磁阻传感器之间的四个不同固定操作间隙中的每个固定操作间隙的测试数据生成的曲线进行说明的图。
图3B是绘制了针对三种不同的固定旋转速度中的每种旋转速度在不同气隙距离下的TAMS装置的可变磁阻传感器输出电压的图。
图4A和图4B是绘制TAMS装置的可变磁阻传感器与外部可变磁阻传感器之间的相位差的图。图4C和图4D分别是图4A和图4B的信号的数字化版本的图。图4E和图4F是分别示出对应于图4C和图4D的差分相位信号的图。
图5是作为电子信号处理模块的模拟输出提供的未补偿扭矩信号和线性参考曲线的图。
图6A和图6B示出了根据实施方式的具有有源传感器的示例TAMS装置。
图7示出了根据实施方式的具有两个TAMS装置的示例扭矩测量系统。
图8是根据实施方式的具有主TAMS装置和从TAMS装置的示例扭矩测量系统的示意图。
图9是根据实施方式的具有两个主TAMS装置的示例扭矩测量系统的示意图。
图10是根据实施方式的具有TAMS装置和独立传感器的示例扭矩测量系统的示意图。
图11A是根据实施方式的测量施加到轴的扭矩的方法的流程图。
图11B是根据另一实施方式的测量施加到轴的扭矩的方法的流程图。
具体实施方式
以下对某些实施方式的详细描述体现了对具体实施方式的各种描述。然而，本文描述的创新可以以多种不同的方式来体现，例如，如权利要求所限定和覆盖的方式。在本说明书中，对附图进行了参考，在附图中相同的附图标记和/或符号可以指示相同或功能相似的元件。应当理解，附图中所示的元件不一定是按比例绘制的。此外，应当理解，某些实施方式可以包括比附图中所示更多的元件和/或附图中所示的元件的子集。此外，一些实施方式可以结合来自两个或更多个附图的特征的任何合适的组合。
公开了扭矩及角度测量传感器(TAMS)装置。TAMS装置可以计算施加在轴上、例如施加在旋转轴或非旋转轴上的扭矩。TAMS装置可以在单个紧凑单元中包含内置速度/角度传感器和处理电路。处理电路例如包括微控制器。TAMS装置还可以包括温度传感器。温度传感器可以用于扭矩计算中的温度补偿。TAMS装置可以包括模拟和/或数字电子接口。
扭矩测量系统可以包括轴、两个参考件、TAMS装置以及TAMS装置外部的传感器，两个参考件例如为两个音轮齿轮或多极磁轮。在某些情况下，TAMS装置外部的传感器可以是独立的速度/角度传感器。在一些其他情况下，TAMS装置外部的传感器可以包括在第二TAMS装置中。第二TAMS装置可以是从单元或主单元。
在一些情况下，扭矩测量系统可以包括轴、诸如一个音轮齿轮或多极磁轮之类的一个参考件、以及TAMS装置。TAMS装置可以根据参考件的旋转动态地生成第一信号。TAMS装置可以学习、记忆或针对辅助信息被预编程。例如，在一些情况下，可以从在不同方向速度下无负载的参考轮获知辅助信息。辅助信息可以是参考信号、对可以从TAMS装置的处理电路的功能确定的参考信号进行表示的数据集等。辅助信息可以存储在TAMS装置的存储器中。TAMS装置可以至少基于辅助信息和由TAMS装置的传感器生成的第一信号来确定施加到轴的扭矩的指示。传感器可以是本文公开的任何合适的传感器。本文公开的TAMS装置可以是可编程的：(1)基于来自集成传感器的信号和存储在TAMS装置的存储器中的辅助信息来计算扭矩；和/或(2)基于来自集成传感器的信号和来自外部传感器的输入信号来计算扭矩。
本文公开的实施方式可以提供高性能(例如，就线性度、精度、分辨率或可重复性中的一个或更多个方面而言)的智能扭矩/旋转角测量系统，该系统具有诊断和可编程性特征以使该系统对于多种不同的应用和配置具有通用性。
使用分布式速度感测装置和电子控制单元的音轮扭矩测量系统的设计可能取决于应用，并且对于在同一应用内的不同配置中使用该系统而言不够通用。分布式扭矩测量系统可能具有在组装、接线、调整、校准和/或维护方面复杂的缺点。因此，这种分布式扭矩测量系统可能相对昂贵。
本文公开的集成扭矩感测系统可以解决这种复杂性，同时增加在不同配置的应用中的灵活性。公开了具有集成的速度/角度传感器的TAMS装置。TAMS装置可以是可编程的以作为主单元或从单元起作用。TAMS装置可以对施加在轴上的扭矩或旋转角度进行计算。TAMS装置可以被编程并与各种其他的一个或更多个外部电子速度/角度传感器配合使用。TAMS装置还可以被包括在用于测量扭矩的系统中，该系统还包括一个或更多个其他类似的TAMS装置以在系统中创建功能冗余和/或合理性。TAMS装置之间的数据传输可以通过多种方式实现，包括具有模拟和/或数字格式的有线和/或无线通信。
无论使用何种传感技术，感测装置输出的精度、迟滞性、重复性、线性度等中的一者或更多者都是重要的设计参数，并且它们在磁性技术中可能更为重要。为了获得更准确的扭矩和/或角度测量，大多数传感应用都涉及校准中的低非线性度以及系统中的低机械和磁滞/误差。使测量误差最小化是持续的挑战，同时存在不希望的系统变化和噪声，例如以下各者中的一者或更多者：由于零件装配不准确而导致的三维机械运动、系统材料特性的变化、感测元件的变化、磁滞、以及音轮物理和机械特征的变化，例如齿面形状和尺寸等。一般来说，除了低公差机械系统设计之外，磁传感器的精度还可以通过其磁路设计中使用的技术来限定，这种技术包括以下各者中的一者或更多者：传感器结构和周围部件的磁性材料特性、磁体类型和磁化强度、物理尺寸、不期望的磁性和机械噪声、磁感测元件类型和技术以及测量系统配置，这种配置包括气隙和校准。存在可以在扭矩和/或角度计算的准确性中发挥重要作用的许多不同的参数。因此，高度可靠的TAMS装置可以涉及有利于低偏移和低温漂移电子器件和可编程单元，以用于高速多算法处理、参数校准和/或数据存储。
本文公开的实施方式可以通过减少、最小化或消除感测电路(例如磁感测电路)中的误差源来提供高性能扭矩及角度测量装置、用于期望气隙的可调节机械安装、用于多种应用的稳健设计以使得所述应用具有所需校准和/或算法的可编程性和可配置性、功能冗余和合理性以及诊断功能(例如，自我安全和/或健康检查)。
TAMS装置是集成且可编程的扭矩及角度传感器，该扭矩及角度传感器设计成用于测量参考轴上施加的扭矩和扭转角度。该参考轴连接到一个或两个音轮或磁轮。TAMS装置可以是基于微控制器的主动或被动速度/角度传感器，该主动或被动速度/角度传感器可以被编程为作为扭矩感测装置而动态计算扭矩和其他必要功能(速度、旋转方向和角度)。TAMS装置中的内置传感器可以是任何适于对角度和/或速度进行感测的传感器。例如，内置传感器可以是无源传感器，例如可变磁阻(VR)传感器，或者是有源传感器，例如磁霍尔效应传感器、磁AMR(各向异性磁阻)传感器、磁GMR(巨磁阻)传感器、磁性TMR(隧道磁阻)传感器、感应感测系统、光学传感器或任何其他合适的传感器。感应感测系统包括集成电路(IC)，该集成电路(IC)连接到作为传感元件构建在印刷电路板(PCB)上的多匝初级(发射器)和次级(接收器)线圈。TAMS装置可以被编程为作为扭矩及角度测量系统中的主单元或从单元而起作用。作为主单元，TAMS可以监测和读取来自内置传感器和外部角度/速度传感器两者的音轮角度和物理齿形轮廓信息。外部传感器可以是独立传感器，也可以是包含在第二TAMS装置中的传感器。TAMS装置可以确定与轴相关的两个参考件——例如两个音轮或磁轮——之间的机械扭转角差，并且计算施加在轴上的扭矩。
在一些实施方式中，TAMS装置还可以包括内部温度传感器以对影响传感器功能的温度进行测量。TAMS装置可以应用温度补偿算法来对扭矩和/或角度进行确定。
现在将讨论TAMS装置的功能。TAMS装置可以动态地检测、监测、读取、处理、分析和捕捉从内部主传感器和/或外部从传感器接收到的旋转轴的角速度(方向角速度)和角位置、以及音轮的齿形轮廓信息或磁轮的磁场轮廓信息(指示速度/角度信号)。主传感器可以是内置速度传感器。主传感器可以是有源传感器或无源传感器。从传感器可以是独立的外部速度传感器或辅助TAMS装置的速度传感器。从传感器可以是有源传感器或无源传感器。TAMS装置可以测量来自主传感器和从传感器的信号之间的相位差。
TAMS装置可以检测连接至轴的音轮的旋转方向。TAMS装置可以检测根据设计以从零到超高RPM(每分钟转数)施加到旋转轴的扭矩的方向。
TAMS装置可以学习并捕获用于计算旋转轴的扭矩和/或角度值的所有相关函数和/或算法和参数。TAMS装置可以针对不同的扭矩计算方法进行编程(例如，基于过零、快速傅立叶变换(FFT)或其他技术的相位测量)。TAMS装置可以存储校准参数，并且使用一种或更多种算法进行编程，以计算施加到轴的扭矩。TAMS装置可以对音轮和/或其他参考件的机械尺寸和/或形状特征进行学习和捕获，并且将这些信息应用于功能计算、合理性和(电子)机械诊断。
TAMS装置可以基于从内置传感器和外部传感器接收到的两个独立信号的测量的差分相位对施加在将两个参考件、例如音轮/磁轮相连接的轴上的扭矩进行计算。
在包括辅助TAMS装置的系统中，第一TAMS装置可以捕获从第二TAMS装置接收到的经计算的扭矩信息并且对所述经计算的扭矩信息进行比较。这可以在扭矩和/或角度测量中提供功能冗余和合理性检查。
TAMS装置可以捕获音轮速度和旋转方向数据、施加的扭矩和施加的扭矩的方向。然后，TAMS装置可以通过任何合适的接口(例如控制器局域网(CAN)、本地互连网络(LIN)、串行外设接口(SPI)、脉宽调制(PWM)、内部集成电路(I2C)或通用异步接收器/发送器(UART)接口)和/或相对高分辨率的模拟格式以数字方式传输信息。TAMS装置可以检测并输出来自内置无源或有源速度/角度传感器的过零信息。
TAMS装置可以对影响传感器功能的温度进行测量和/或报告。TAMS装置可以应用温度补偿来确定施加到轴的扭矩。
TAMS装置输入/输出(I/O)可以通过电子滤波部件来保护，以减少、最小化和/或消除瞬态信号的影响，例如电磁兼容性(EMC)、电磁干扰(EMI)、和/或静电放电(ESD)瞬态信号。TAMS装置I/O接口可以设计为根据需要对输入和/或输出信号进行调节。
本文公开的TAMS装置可以应用于任何合适的轴扭矩感测系统中。这样的技术解决方案可以应用于任何合适的行业，包括需要功能冗余和合理性的行业，例如工业机械和设备、机器人、汽车、航空航天、电动汽车(EV)、自动驾驶汽车(AV)和医疗设备。
图1是根据实施方式的TAMS装置10的示意性框图。如所示出的，TAMS装置10包括传感器12、处理电路14、I/O接口15、16和17、以及电压调节器及温度传感器18。传感器12、处理电路14和电压调节器及温度传感器18可以被包括在TAMS装置10的壳体内。
传感器12被结合在TAMS装置10内。传感器12被包括在与处理电路14相同的封装中。传感器12可以检测并生成包含与旋转轴相关联的角度和/或方向速度信息的信号。传感器12在许多应用中可以是有源传感器，尤其是在需要接近零的速度测量的情况下。在某些应用中，传感器12可以是无源传感器。处理电路14可以基于传感器12的输出信号来确定旋转轴的角位置和/或角速度及其方向。角度变化率可以指示角速度(ω＝dθ/dt)。类似地，角速度可以表示角度“θ”及其相对于时间“t”的变化“Δθ”。因此，由传感器12生成的信号是时间相关的并且可以指示旋转轴的角位置和角速度两者。由传感器12生成的信号指示旋转轴的角位置或角速度中的至少一者。
根据应用，处理电路14可以包括简单的微控制器或具有数字信号处理能力的强大的微控制器，以运行更复杂的算法，从而实现更强大和更快的计算。例如，处理电路可以是定制设计的基于微处理器的电子信号处理模块(ESPM)，以满足具有特定要求的任何应用。处理电路14可以是可编程的。处理电路14可以基于在接口16内部接收到的传感器12的输出信号和在第一I/O接口15的I/O接触部处接收到的TAMS装置10外部的传感器的输出来计算扭矩。I/O接触部可以是引脚、垫、凸块或用于接收输入信号的任何其他合适的接触部。处理电路14可以包括对用于计算角度和/或扭矩的一个或更多个参数进行存储的存储器。
处理电路14可以基于仅在接口16处接收的传感器12的输出信号和在存储器中预编程和/或学习和捕获的一个或更多个参考信号来计算扭矩。不同条件下的参考信号可以经由接口15的I/O接触部被提供至处理电路14以进行存储。在这种情况下，TAMS10用作独立装置来计算扭矩。
TAMS10包括适于接收和/或输出信号的I/O接口15、16和17。I/O接口15、16和17中的一个或更多个I/O接口可以被布置为处理数字信号。I/O接口15、16和17中的一个或更多个I/O接口可以替代地或附加地布置为处理模拟信号。
第一I/O接口15可以从TAMS装置10外部接收信号并且将接收到的信号提供至处理电路14和/或电压调节器及温度传感器18。第一I/O接口15可以处理接收到的信号。第一I/O接口15可以接收TAMS装置10的公共地信号GND。第一I/O接口15可以接收对于TAMS装置10而言的电源电压VDD。第一I/O接口15可以接收一个或更多个参考信号Ref Signal_In1、RefSignal_In2，所述一个或更多个参考信号Ref Signal_In1、Ref Signal_In2指示来自外部传感器或装置的经测量的音轮信息和状态，外部传感器或装置例如为辅助TAMS装置的传感器、测试器、模拟器装置或用于提供参考信号的编程器。一个或更多个参考信号RefSignal_In1、Ref Signal_In2可以提供与参考件、例如第二音轮或磁轮相关联的角度和/或速度的指示。
第二I/O接口16可以将来自传感器12的输出信号提供至处理电路14。第二I/O接口16可以处理来自传感器12的输出信号。这样的处理可以包括滤波、信号放大等中的一者或更或者。
第三I/O接口17可以从处理电路14接收信号并将接收到的信号输出到TAMS装置10外部。第三I/O接口17可以将对经计算的扭矩/角度信息和/或测量系统诊断信息进行指示的一个或更多个TAMS输出信号TAMS Signal_Out1、TAMS Signal_Out2输出至外部电子控制模块(ECU)。第三I/O接口17可以基于来自传感器12的输出信号输出对经测量的音轮/磁轮信息和状态进行指示的一个或更多个参考信号Ref Signal_Out1、Ref Signal_Out2。一个或更多个参考信号Ref Signal_Out1、Ref Signal_Out2可以提供与参考件、例如音轮/磁轮相关联的角度和/或速度的指示。这些信号也可以由另一个外部TAMS装置使用来计算扭矩，如TAMS装置10那样。
电压调节器及温度传感器18包括向处理电路14提供调节电压的电压调节器。基于在第一I/O接口15处接收的电源电压VDD，电压调节器提供保证以产生一定功率(电压和电流)而以一定水平为整个处理电路14和接口15、16和17供电，从而获得更准确和可重复的TAMS性能。电压调节器及温度传感器18包括温度传感器。处理电路14可以被配置为基于温度传感器的输出来执行温度补偿。这可以提高TAMS测量和计算功能的准确性。
TAMS装置10可以用于多种应用中。轮速感测是用于动态制动控制系统的重要输入，动态制动控制系统例如为防抱死制动系统(ABS)、电子稳定系统(ESS)、转向角传感(SAS)系统和高级驾驶辅助系统(ADAS)。各应用包括使用音轮来检测和测量施加在轴上的扭矩和速度，例如如图2C中所示的。
用于轮速和扭矩测量应用的TAMS装置10的传感器12的示例包括使用可变磁阻的无源传感器和使用固态集成电路的有源传感器。磁性速度传感器是内置于TAMS装置10中的无源传感器和有源传感器的示例。磁性速度传感器响应由靠近于磁性速度传感器的磁性目标的移动引起的磁场变化。
示例TAMS装置包括集成的可变磁阻(VR)传感器。VR传感器可以包括相对小的电磁发生器，以产生模拟交流(AC)信号，该信号与附近旋转的铁磁或其他高磁导率磁性目标例如音轮的尺寸、速度和接近度成比例。VR传感器无需外部电源即可工作，并且因此可以被归类为无源传感器。TAMS装置可以包括用于扭矩及角度测量应用的集成的VR传感器。
图2A和图2B示出了根据实施方式的具有集成的VR传感器22的示例TAMS装置20。图2A示出了TAMS装置20的主要结构的模型。图2B示出了TAMS装置20的内部部件。如图2A所示，TAMS装置20包括VR传感器22、电子信号处理模块(ESPM)24和I/O连接器26。VR传感器22和ESPM 24均位于TAMS装置20的壳体内。图2B示出了VR传感器22包括磁体32、线的线圈33和极片34。继续参考图2B，ESPM 24包括印刷电路板(PCB)35、处理电路36和位于PCB 35上的温度传感器37。处理电路36可以包括例如微控制器。I/O连接器26可以包括I/O连接器接触部38，如图2B所示。I/O连接器接触部38可以是I/O连接器引脚。
在一些实施方式中，TAMS装置20可以对被预编程或以其他方式确定的第二参考信息进行存储。辅助参考信息可以根据在TAMS装置20的I/O接口处接收到的信号来预编程。辅助参考信息可以由TAMS装置20生成而无需外部传感器。例如，在一些情况下，可以根据在不同方向速度下无负载的参考轮来确定辅助参考信息。辅助参考信息可以被存储和/或编程在TAMS装置20的存储器中。辅助参考信息可以表示参考值。辅助参考信息可以包括用于由TAMS装置20的处理电路执行以计算参考值的功能的一个或更多个输入值。例如，可以将值输入到与图3A和/或图3B中的曲线类似的函数，该函数由处理电路执行以确定参考值。利用辅助参考信息，TAMS装置20可以基于至少辅助信息和VR传感器22的输出而独立地确定施加到轴的扭矩的指示。TAMS装置20可以是可编程的以基于(1)来自内部传感器的信号和存储在存储器中的辅助信息和/或(2)来自内部传感器的信号和来自外部传感器的信号来计算扭矩。在实施方式中，TAMS装置20可以将基于(1)来自内部传感器的信号和存储在存储器中的辅助信息和(2)来自内部传感器的信号和来自外部传感器的信号所计算的扭矩进行比较。
图2C示出了具有在VR传感器22附近旋转的音轮39的TAMS装置20。音轮39的一部分在图2C中示出。音轮39是铁磁音轮。示例性铁磁音轮可以包括过渡金属，例如铁、镍、钴及其合金。因此，音轮39可以是具有特定磁性的金属目标(例如，具有典型磁导率500至800的碳钢1008或1010)。如所示出的，音轮39具有齿轮。VR传感器22可以基于音轮39的旋转来检测速度和/或角度。
由等式1至等式6可以表示结合旋转音轮39(例如，如图2C所示)操作的VR传感器输出电压的数学模型。这些等式可以从法拉第定律和楞次定律导出。测试数据表明，基于等式1至等式6建立的数学模型是准确的。
V(t，θa，RPM，x)＝0.5*Vpp(RPM，x)*sin(π/30*RPM*Nt*t+Δφa) (等式1)
Vpp(RPM，x)＝C(x)*RPM (等式3)
C(x)＝KB*Bpp(x) (等式4)
KB＝Nc*Ac*Nt*π/30 (等式5)
Bpp(x)＝C1*e(-C2*x) (等式6)
如等式1和等式2所示，VR传感器22产生的动态输出电信号电压V(t，θa，RPM，x)可以与时间(t)、目标的旋转速度(RPM)、传感器22与音轮齿之间的间隙(x)、以及由于在连接到音轮39的轴上施加的扭矩而产生的角度(θa)或相位变化(Δφa)成正比。等式6中的参数C1和C2与等式2中的K是常数。
VR传感器电信号输出的电频率可以由音轮齿轮的机械旋转速度(RPM)和预先设计的齿数(Nt)来确定。
音轮的机械齿轮节距(θp)可以根据每个设计由音轮上的齿数来确定(θp＝360°/Nt)。因此，机械齿轮节距(和/或轮齿的数量)可以影响VR传感器信号输出的电频率以及经计算的角度和/或扭矩测量的分辨率两者。
VR传感器输出电压Vpp(RPM，x)的峰到峰的幅度可以是固定操作气隙(x)处的机械齿轮旋转速度(RPM)的线性函数，如等式3所示。
图3A所示的从测试数据生成的曲线示出了音轮与VR传感器之间在介于0.5mm(毫米)与3mm之间的范围内的几个固定操作间隙(x)处的Vpp(x、RPM)的线性度。
如等式3至等式6所示，VR传感器输出电压Vpp(RPM，x)的峰到峰的幅度在固定PRM处可以与非线性函数C(x)成比例，该非线性函数C(x)随着气隙变化而呈指数衰减。
图3B描绘了当气隙在几个固定RPM下在0.5mm与3mm之间变化时，VR传感器输出电压Vpp(x，RPM)呈指数衰减。
等式3至等式6还表明VR传感器输出电压的幅度可以通过特定的物理设计参数来预先确定，特定的物理设计参数例如为线圈中的匝数(Nc)、线圈的截面积(Ac)和音轮的齿数(Nt)。当音轮齿轮旋转时，VR传感器与轮齿之间的物理气隙x也会发生变化，从而导致磁通量B(x)的幅值相对于气隙而发生变化。峰到峰的通量密度变化Bpp(x)可以使用等式6中给出的非线性衰减指数函数进行精细近似。
由内部内置VR传感器和外部VR传感器生成的动态输出电压V(t，θa，RPM，x)可以被提供给TAMS装置20的ESPM 24(图2A至图2C)。ESPM 24可以在I/O接口和/或微控制器处进一步处理这些信号。
图4A和图4B是绘制TAMS装置的VR传感器与外部VR传感器之间的相位差的图。这些差异可以在TAMS装置的ESPM中检测到。在图4A中，初始相位差Δφa0为45°。然后将扭矩施加到带有音轮的轴。如图4B所示，相位差变为调整后的为55°的相位差Δφa1。施加到轴的扭矩可以与在ESPM中的计算和/或测量的两个VR传感器的两个输出信号之间的微分相位差(Δφa1-Δφa0)成比例。图4A和图4B中所示的两个模拟信号A和B可以被数字化(或经由过零产生脉冲)，然后由微控制器单独或与另一个电路结合进行差分(A-B)。
图4C和图4D是图4A和图4B的信号的数字化版本的图。如下所述，这些图可以替代地表示有源传感器的输出。TAMS装置的ESPM可以检测来自两个VR传感器的信号过零。替代地或附加地，可以检测与两个VR信号的波形相关联的任何其他合适的点。
可以生成来自TAMS装置的VR传感器和外部VR传感器(其可能是也可能不是第二TAMS装置)的数字化VR信号的差分相位信号。图4E和图4F是分别示出与图4C和图4D对应的差分相位信号的图。差分相位信号表示来自两个VR传感器的VR输出信号的过零之间的持续时间。响应于用音轮向轴施加扭矩而与微分相位信号相关联的持续时间变化可以与所施加的扭矩成正比(以轴的与其形状、尺寸和材料有关的扭转刚度系数)。持续时间可以表示来自TAMS装置的VR传感器和外部VR传感器的VR信号的参考点(例如，过零(zero-crossings))之间的差异。持续时间变化可以代表图4E和图4F中的脉冲之间的脉冲长度的差异。持续时间变化可以通过TAMS装置的ESPM来计算。ESPM可以将持续时间变化转换为扭矩值。
轴和音轮材料的物理特性会因温度变化而变化。在该温度影响不可忽略的一些情况下，ESPM可以基于来自温度传感器的温度指示和ESPM的存储器中所存储的校准数据来补偿扭矩值。然后ESPM可以从TAMS装置输出测量的扭矩值和温度值两者。在某些应用中，扭矩和/或温度值的指示可以是数字信号和/或模拟信号。
图5是作为EPSM的模拟输出提供的未补偿扭矩信号和线性参考曲线的图。图5中的未补偿扭矩信号是均方根(RMS)电压。未补偿的扭矩信号表示作为TAMS装置的VR传感器的输出信号与外部VR信号的输出信号之间的相位差(Δφa1-Δφa0)的函数的RMS电压。
传感器操作温度变化可以影响VR传感器结构的物理参数、气隙和/或ESPM部件的功能操作，从而导致TAMS装置的内部VR传感器和外部VR传感器的输出电压V(t，θa，RPM，x)的变化。温度变化会导致磁场强度(例如参数K、KB、C1、C2)发生变化，并最终改变TAMS输出电压的增益和相位。温度变化会影响TAMS装置的线性输出电压的斜率和偏移值，如图5所示。TAMS装置的输出电压可以针对由于温度变化引起的偏移和斜率的变化进行补偿。TAMS装置可以被校准以在期望的温度操作范围内(例如，从大约-40℃到+150℃)操作。补偿后的扭矩信号可以类似于图5中所示的线性参考曲线。
在一些实施方式中，TAMS装置包括主动速度传感器。有源速度传感器从外部电源接收电力以进行作用。有源传感器的一个示例是反向偏置霍尔效应速度传感器。霍尔效应传感器可以提供具有与速度成正比的频率的数字输出信号。与某些VR传感器的输出信号不同，有源传感器输出信号的幅度可能不会随着磁性目标(例如，带有齿轮的音轮)的速度而改变。现在将讨论没有两个有源传感器的扭矩测量系统的示例。
图6A和图6B示出了根据实施方式的具有集成有源传感器62的示例TAMS装置60。图6A示出了TAMS装置60的主要结构的模型。图6B示出了TAMS装置60中的有源传感器62。有源传感器62是TAMS装置60中的反向偏置霍尔效应传感器。如图6A所示，TAMS装置60包括有源传感器62、ESPM 64和I/O连接器26。有源传感器62和ESPM 64均位于TAMS装置26的壳体内。ESPM 64可以包括图2A的ESPM 24的任何合适特征件。ESPM 64被配置成基于有源传感器62和TAMS装置60外部的传感器的输出来计算扭矩的指示。
有源传感器62的输出信号可以在已知的高值和已知的低值之间切换。无论采用哪种技术(例如，磁传感器、感应传感器、光学传感器)，主动速度传感器组件的输出信号可以基本上相同。图4C和图4D所示的曲线图可以表示结合在TAMS装置60中的有源传感器62和外部有源传感器在45°和55°相位差处的输出信号(A和B)。这些信号可以由TAMS装置60的ESPM64处理以生成图4E和图4F中所示的微分相位(Δa1-Δa0)信号。施加到轴的扭矩可以与两个有源传感器输出信号A和B之间的相位差成比例(以轴的与其形状、尺寸和材料相关的扭转刚度系数)。这个过程可以以任何合适的处理电路来执行，例如仅微控制器或与另一电路结合的微控制器。
在一些实施方式中，扭矩测量系统可以包括有源传感器和无源传感器。例如，扭矩测量系统可以包括VR传感器和磁性霍尔效应传感器。施加到轴的扭矩可以根据这些传感器提供的输出信号来确定。可以对传感器中的一个传感器的输出进行处理以生成格式与另一个传感器类似的信号。例如，VR传感器可以生成如图4A所示的输出信号。可以对该输出信号进行处理以生成图4C所示的信号。霍尔效应传感器可以生成图4C所示的输出信号。然后，例如如上所述，可以基于图4C中表示的两个信号来确定施加到轴的扭矩。
本文公开的TAMS装置可以包括可编程ESPM，该可编程ESPM被配置为监测和处理从内部传感器和外部传感器接收到的信息。此外，本文公开的TAMS装置可以包括可编程ESPM，该可编程ESPM被配置为学习和存储不同条件(例如，气隙、速度、温度等)下的参考信号，并对经与存储器中的参考信号比较的从内部传感器接收的信息进行监测和处理。ESPM是处理电路的示例。ESPM确定并输出施加到轴的扭矩的指示，带有或不带有相关的温度信息。ESPM还可以输出诊断状态。ESPM可以向TAMS装置外部的电子控制模块(ECU)提供扭矩的指示和/或诊断状态。该信息可以以模拟格式和/或数字格式提供。在某些应用中，ESPM(例如图2A的ESPM 24或图6A的ESPM 64)包括微控制器以对指示速度和/或角度的信号进行处理并生成具有/不具有相关温度信息的扭矩的指示。在一些应用中，ESPM(例如，图2A的ESPM 24或图6A的ESPM 64)还包括用于功能冗余的附加电路。附加电路可以包括相位差电路、例如异或逻辑门，该相位差电路被配置为生成来自TAMS装置的内部传感器的输出信号与TAMS装置外部的传感器的输出之间的相位差。ESPM可以包括一个或更多个放大器、一个或更多个晶体管、一个或更多个逻辑门、一个或更多个状态元件(例如，触发器或锁存器)、一个或更多个电阻器、一个或更多个电容器、一个或更多个二极管等或其任何合适的组合以及微控制器。TAMS装置I/O可以受到正向和反向过压、电磁兼容性/干扰(EMC/EMI)和静电放电(ESD)保护。
现在将讨论用于对施加到轴的扭矩进行测量的扭矩测量系统。在这些扭矩测量系统中，TAMS装置与另一个TAMS装置或其他传感器一起可以用于测量施加到轴的扭矩。在某些实施方式中，扭矩测量系统包括配置为主单元的一个TAMS装置和配置为从单元的另一TAMS装置。根据一些其他实施方式，扭矩测量系统包括配置为主单元的两个TAMS装置。在各种实施方式中，扭矩测量系统包括配置为主单元的一个TAMS装置和独立的速度传感器。
图7示出了根据实施方式的具有两个TAMS装置72和74的示例扭矩测量系统70。第一TAMS装置72靠近于与轴76连接的第一音轮75。第一TAMS装置72的传感器被配置为对与第一音轮75旋转相关的角度和速度进行检测。第二TAMS装置74靠近于与轴76连接的第二音轮77。第二TAMS装置74的传感器被配置为对与第二音轮77旋转相关的角度和速度进行检测。由TAMS装置72和74的相应传感器产生的信号之间的相位差可以响应于施加到轴76的扭矩而改变。当扭矩施加到轴76时，音轮75和77可以沿相对于彼此相反的方向旋转。第一TAMS装置72可以包括本文公开的TAMS装置的特征的任何合适的组合，例如TAMS装置10、TAMS装置20或TAMS装置60。类似地，第二TAMS装置74可以包括本文公开的TAMS装置的特征的任何合适的组合，例如TAMS装置10、TAMS装置20或TAMS装置60。第一TAMS装置72可以被编程为主单元并且第二TAMS装置74可以被编程作为从单元。替代性地，TAMS装置72和74都可以被编程为主单元。主单元可以基于主单元的内部传感器的输出信号和来自外部传感器的输出来计算扭矩。从单元可以输出对与连接到轴的参考件相关联的角度和/或速度进行表示的信号，以供主单元使用来计算施加到轴的扭矩。
图8示出了根据实施方式的具有主TAMS装置和从TAMS装置的示例扭矩测量系统80的示意图。在扭矩测量系统80中，第一TAMS装置10A被编程为主单元并且第二TAMS装置10B被编程为从单元。图8的TAMS装置10A和10B在电路和校准方面可以是基本相同的部件，但是被编程为不同的模式。TAMS装置10A和10B可以根据本文公开的TAMS装置的任何合适的原理和优点来实现。
作为从单元，第二TAMS装置10B可以检测对与第一音轮75相关联的角度/速度和/或温度进行指示的信息并且将该信息发送到第一TAMS装置10A。第二TAMS装置10B还可以检测与第一音轮75相关的角度/速度信息(表示表面(例如，轮齿)轮廓)和/或相关温度、和/或误差/诊断信息并将上述信息发送到第一TAMS装置10A。
在扭矩测量系统80中，第二TAMS装置10B的参考信号输出部被电连接到第一TAMS装置10A的参考信号输入部。由第二TAMS装置10B生成的一个或更多个输出参考信号RefSignal_Out1和Ref Signal_Out2由第一TAMS装置10A的接触部(例如，引脚)接收。在各种应用中，第一TAMS装置10A可以具有通过线而与第二TAMS装置10B的接触部电连接的至少一个接触部。在一些其他应用中，一个或更多个参考信号可以在TAMS装置之间无线通信。在这样的应用中，TAMS装置可以包括与TAMS装置的接触部(例如，垫)连接的天线。
作为主单元，第一TAMS装置10A可以基于第一TAMS装置10A的内部传感器的输出和来自第二TAMS装置10B的信息来计算施加到轴76的扭矩。第一TAMS装置10A在被配置为主单元时可以检测与TAMS装置10A和10B的传感器的输出相关联的微分相位差、计算扭矩(并且如果如此配置，则基于测量的温度进行补偿)、以及对从第二TAMS装置10B接收的信息进行验证。第一TAMS装置10A可以输出对经计算的施加到轴76的扭矩、和/或相关联的温度、和/或误差/诊断信息进行指示的一个或更多个TAMS输出信号TAMS Signal_Out1、TAMSSignal_Out2。一个或更多个TAMS输出信号TAMS Signal_Out1、TAMS Signal_Out2可以被提供至ECU或扭矩测量系统80外部的其他电路。
图9示出了根据实施方式的具有两个主TAMS装置的示例扭矩测量系统90的示意图。扭矩测量系统90是其中两个不同的TAMS装置可以计算扭矩的系统的示例。在扭矩测量系统90中，第一TAMS装置10C被编程为第一主单元，并且第二TAMS装置10D被编程为第二主单元。图9的TAMS装置10C和10D均可以被编程以对相位差进行检测、对施加到轴76的扭矩进行计算、以及对从彼此接收的信息进行验证。因此，TAMS装置10C和10D都可以计算施加到轴76的扭矩。扭矩测量系统90利用相关联的温度信息和诊断/系统健康信息来提供扭矩计算的功能冗余、动态验证和合理性。扭矩测量系统90在具有安全和误差补偿规范的某些应用中是有利的。TAMS装置10C和10D在电路和校准方面可以是基本相同的部件。TAMS装置10C和10D都可以被编程为主模式。TAMS装置10C和10D可以根据本文公开的TAMS装置的任何合适的原理和优点来实现。
第二TAMS装置10D可以向第一TAMS装置10C提供一个或更多个参考信号。第一TAMS装置10C可以基于从第二TAMS装置10D接收的角度/速度的指示和由第一TAMS装置10C的内部传感器生成的角度/速度的指示来计算扭矩，其中角度/速度的指示是与和轴76相关联的不同参考件(例如，音轮75和77)相关联的。第二TAMS装置10D可以向第一TAMS装置10C提供对由第二TAMS装置10D计算的扭矩进行指示的一个或更多个TAMS信号。第一TAMS装置10C可以将由第一TAMS装置10C生成的第一扭矩测量值与由第二TAMS装置10D生成的第二扭矩测量值进行比较以验证扭矩测量值。
第一TAMS装置10C可以向第二TAMS装置10D提供一个或更多个参考信号。第二TAMS装置10D可以基于从第一TAMS装置10C接收的角度/速度的指示和由第二TAMS装置10D的内部传感器生成的角度/速度的指示来计算扭矩，其中角度/速度的指示是与和轴76相关联的不同参考件(例如，音轮75和77)相关联的。尽管图9中未明确示出，但是第一TAMS装置10C可以在某些应用中向第二TAMS模式10D提供一个或更多个TAMS信号(角度、速度、扭矩、温度、误差等)。第二TAMS装置10D可以将由第二TAMS装置10D生成的第二扭矩测量值与由第一TAMS装置10C生成的第一扭矩测量值进行比较以验证扭矩测量值。
图10示出了根据实施方式的具有TAMS装置和独立传感器的示例扭矩测量系统100的示意图。如所示出的，扭矩测量系统100包括外部传感器102和被编程为主单元的TAMS装置10E。外部传感器102可以被认为是从单元。TAMS装置10E可以被编程为与外部传感器102一起工作。外部传感器102可以检测对音轮75的角度/速度进行指示的信息并且将该信息发送至TAMS装置10E。外部传感器102可以向TAMS装置10E提供与音轮75相关的表面轮廓信息(例如，与音轮齿形轮廓相关的信息)。外部传感器102可以是有源传感器。外部传感器102可以是无源传感器。无源外部传感器可以在没有电源的情况下实施。无源外部传感器可以在没有接触部的情况下实施以接收电源电压。
TAMS装置10E可以参考来自外部传感器102的信息。TAMS装置10E可以基于从外部传感器102接收的角度/速度的指示和由TAMS装置10E的内部传感器生成的角度/速度的指示来计算扭矩，其中角度/速度的指示是与和轴76相关联的不同参考件(例如，音轮75和77)相关联的。TAMS装置10E可以被编程为对微分相位进行检测、对施加到轴76的扭矩进行计算、以及对从彼此接收到的信息进行验证。TAMS装置10E可以被配置为输出与计算的扭矩相关联的温度信息。TAMS装置10E可以被配置为输出诊断信息。
图11A是根据实施方式的对施加到轴的扭矩进行测量的方法110的流程图。方法110可以使用本文公开的任何TAMS装置和/或本文公开的用于测量扭矩的任何系统来执行。
方法110包括在框112处生成对与连接到轴的第一参考件相关联的角度进行指示的第一信号。第一信号由结合在具有处理电路的装置(例如，ESPM)中的第一传感器生成。该装置可以是根据本文公开的任何合适原理和优点的TAMS装置。该装置可以被编程为主单元，其中该装置也可以被编程为从单元。第一参考件可以是音轮或磁轮。
在框114处，从装置外部的第二传感器接收对与连接到轴的第二参考件相关联的角度进行指示的第二信号。第二传感器可以被包括在第二装置中。在一个实施方式中，第二装置可以被配置为从单元。在另一个实施方式中，第二装置可以被编程为主单元。
在框116处，对施加到轴的扭矩的指示进行确定。被结合在装置中的处理电路基于至少第一信号和第二信号来确定扭矩的指示。确定扭矩的指示可以包括在某些应用中对第一信号与第二信号之间的相位差进行检测。确定扭矩的指示可以包括对存储在装置的存储器中的校准信息进行存取。在某些应用中，处理电路可以将由第二装置产生的施加到轴的扭矩的第二指示与扭矩的指示进行比较，其中第二装置包括第二传感器。该轴可以在运载工具中的各种应用中。
在方法110中，基于从TAMS装置外部的传感器接收第二传感器信号来确定扭矩。在一些其他应用中，可以基于存储在TAMS装置上的辅助信息来确定扭矩。存储在TAMS装置上的辅助信息可以是预编程的、经学习的或记忆的辅助参考(例如，空载)信号。图11B是方法120的流程图，其中基于存储在TAMS装置上的辅助信息来确定扭矩。方法120可以在没有来自外部传感器的输入的情况下确定扭矩。方法120类似于方法110，除了框114被替换为框124之外。本文公开的TAMS装置可以是可编程的以实现方法110和/或方法120。
在框124处，对与连接到轴的第二参考件相关联的角度进行指示的辅助信息可以通过被结合在装置中的第一传感器而在不同条件(角度、速度、温度等)下被预编程、学习和/或存储。在这种情况下，第一传感器可以独立操作以基于预编程/存储的辅助参考信息来测量和计算扭矩。辅助信息可以作为计算扭矩的参考值。辅助信息可以是输入到由处理电路执行以确定用于计算扭矩的参考值的函数的值。
除非上下文另有指示，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包含”、“包含有”、“包括”等一般应被解释为包含性含义，而不是排他性或穷举的意义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。除非另有明确说明，否则本文中使用的诸如“能够”、“能”、“可能”、“可以”、“例如”、“比如”、“诸如”之类的条件词语在所使用的上下文中被理解为通常旨在传达某些实施方式包括某些特征、元件和/或状态，而其他实施方式不包括某些特征、元件和/或状态。本文通常使用的词语“连接”指的是可以直接连接或者通过一个或更多个中间元件连接的两个或更多个元件。另外，词语“此处”、“上面”、“下面”以及类似含义的词语当在本申请中使用时，应当是指本申请作为一个整体，而不是指本申请的任何特定部分。术语“或”以其包容性含义(而不是排他性含义)使用，因此，例如，当被用于连接元件列表时，术语“或”表示列表中的元件中的一个、一些或所有元件。在上下文允许的情况下，以上具体实施方式中使用单数或复数的词语也可以分别包括复数或单数。
虽然已经描述了某些实施方式，但是这些实施方式仅以示例的方式呈现，并且不旨在限制本公开的范围。实际上，本文描述的装置、系统和方法可以以各种其他形式来体现。此外，在不脱离本公开的精神的情况下，可以对本文描述的装置、系统和方法的形式进行各种省略、替换和改变。例如，虽然以给定的布置结构来呈现框图，但是替代实施方式可以利用不同的部件和/或电路拓扑来执行类似的功能，并且可以删除、移动、添加、细分、组合和/或修改一些框图。这些框图中的每个框都可以以多种不同的方式来实现。如将认识到的，本文描述的某些实施方式可以以不提供本文阐述的所有特征和益处的形式来实现，因为一些特征可以与其他特征分开使用或实践。上述各种实施方式的元件和/或动作的任何合适的组合可以被组合以提供另外的实施方式。所有这样的改型和变型旨在被包括在本公开的范围内。此外，通过将本文描述的一个或更多个实施方式的任何两个或更多个特征或技术组合而创建的附加实施方式也旨在被包括在本公开的范围内。所附权利要求及其等同物旨在覆盖落入本公开的范围和精神内的此类形式或改型。

Claims (25)

1.一种对施加到轴的扭矩进行测量的方法，所述方法包括：
利用第一传感器生成对与连接到所述轴的第一参考件相关联的角度和/或速度进行指示的第一信号；
从第二传感器接收对与连接到所述轴的第二参考件相关联的角度和/或速度进行指示的第二信号；以及
利用处理电路基于至少所述第一信号和所述第二信号对施加到所述轴的扭矩的指示进行确定，其中，所述第一传感器和所述处理电路被结合在一装置中，以及其中，所述第二传感器位于所述装置的外部。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括将所述装置编程为主单元，其中所述装置还能够被编程为从单元。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二传感器和第二处理电路被结合在第二装置内，以及所述方法还包括：通过所述处理电路对由所述第二处理电路产生的施加到所述轴的扭矩的第二指示与所述扭矩的指示进行比较。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述装置被配置为主单元，并且所述第二传感器被包括在从单元中。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述扭矩的指示进行确定包括：对所述第一信号与所述第二信号之间的相位差进行检测。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述扭矩的指示进行确定包括：对存储在所述装置的存储器中的校准信息进行存取。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一参考件是第一音轮，并且其中，所述第二参考件是第二音轮。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：
使用所述装置的温度传感器对与所述装置相关联的温度的指示进行检测；以及
基于所述温度的所述指示来施加温度补偿，其中，所述扭矩的指示是以所述施加为基础的。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述轴位于运载工具或机器中。
10.一种扭矩及角度传感器装置，所述扭矩及角度传感器装置包括：
输入接触部，所述输入接触部被配置为从外部装置接收对第二参考件的角度/速度进行指示的第二信号；
输出接触部，所述输出接触部被配置为提供扭矩的指示；
传感器，所述传感器被配置为生成对第一角度/速度进行指示的第一信号；以及
处理电路，所述处理电路被配置为基于至少所述第一信号和所述第二信号生成所述扭矩的指示，其中，所述传感器和所述处理电路被结合在所述扭矩及角度传感器装置内。
11.根据权利要求10所述的扭矩及角度传感器装置，其中，所述处理电路能够被编程为在第一模式中用作主单元以及在第二模式中用作从单元。
12.根据权利要求10所述的扭矩及角度传感器装置，其中，所述处理电路被配置为基于将由所述处理电路确定的扭矩的第一指示与由所述外部装置生成的扭矩的第二指示进行比较来生成所述扭矩的指示。
13.根据权利要求10所述的扭矩及角度传感器装置，其中，所述传感器是可变磁阻传感器。
14.根据权利要求10所述的扭矩及角度传感器装置，其中，所述传感器是磁传感器。
15.根据权利要求10所述的扭矩及角度传感器装置，其中，所述传感器是感应传感器。
16.根据权利要求10所述的扭矩及角度传感器装置，其中，所述传感器是光学传感器。
17.根据权利要求10所述的扭矩及角度传感器装置，其中，所述第一信号与连接到轴的第一音轮或磁轮相关联，所述第二信号与连接到所述轴的第二音轮或磁轮相关联，以及所述扭矩的指示代表施加到所述轴的扭矩。
18.根据权利要求10所述的扭矩及角度传感器装置，其中，所述处理电路和所述传感器均被包括在所述扭矩及角度传感器装置的壳体内。
19.一种用于对施加到轴的扭矩进行测量的系统，所述系统包括：
扭矩及角度感测装置，所述扭矩及角度感测装置包括第一传感器和处理电路，所述第一传感器被配置为生成对与连接到所述轴的第一参考件相关联的角度和/或速度进行指示的第一信号，并且所述处理电路被配置为基于至少所述第一信号和对与连接到所述轴的第二参考件相关联的角度和/或速度进行指示的第二信号来确定施加到所述轴的扭矩的指示；以及
第二传感器，所述第二传感器位于所述扭矩及角度感测装置的外部，所述第二传感器被配置为生成所述第二信号。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述第二传感器被包括在第二扭矩及角度感测装置中，以及其中，所述第二扭矩及角度感测装置被编程为从单元。
21.根据权利要求19所述的系统，其中，所述第二传感器被包括在第二扭矩及角度感测装置中，其中，所述第二扭矩及角度感测装置被配置为产生施加到所述轴的扭矩的第二指示，以及其中，所述扭矩及角度感测装置被配置为将所述扭矩的指示与所述扭矩的第二指示进行比较。
22.根据权利要求19所述的系统，其中，所述第二传感器是独立传感器。
23.一种用于对施加到轴的扭矩进行测量的扭矩及角度感测装置，所述扭矩及角度感测装置包括：
传感器，所述传感器被配置为生成对与连接到所述轴的第一参考件相关联的角度和/或速度进行指示的第一信号；以及
处理电路，所述处理电路被配置为基于至少来自所述传感器的所述第一信号和被存储在所述扭矩及角度感测装置的存储器中的第二参考信息来对施加到所述轴的扭矩的指示进行确定，其中，所述传感器和所述处理电路被结合在所述扭矩及角度感测装置中。
24.根据权利要求23所述的扭矩及角度感测装置，其中，所述第二参考信息是预编程的。
25.根据权利要求23所述的扭矩及角度感测装置，其中，所述第二参考信息由所述扭矩及感测装置产生，而无需外部传感器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5508609A (en) 1993-06-30 1996-04-16 Simmonds Precision Product Inc. Monitoring apparatus for detecting axial position and axial alignment of a rotating shaft
US6238316B1 (en) 1999-04-23 2001-05-29 Gary Lee Sturm Differential axle speed sensing mechanism
US6498474B1 (en) 2001-06-27 2002-12-24 Kelsey-Hayes Company Rotational velocity and direction sensing system
US6590385B2 (en) 2001-07-06 2003-07-08 Delphi Technologies, Inc. Variable reluctance sensor assembly with magnetic spool
US20070159126A1 (en) 2004-01-20 2007-07-12 Hitachi, Ltd. Bilateral servo controller
WO2006053244A2 (en) 2004-11-12 2006-05-18 Stoneridge Control Devices, Inc. Torque sensor assembly
US7194921B1 (en) 2005-04-22 2007-03-27 Torque-Traction Technologies, Llc Speed-sensing device and method for assembling the same
US7562591B2 (en) 2006-06-26 2009-07-21 KRS Technologies Co. Steering angle sensor
US8666682B2 (en) 2009-07-15 2014-03-04 Michigan Technological University Rotational torque measurement device
JP5953955B2 (ja) 2012-06-07 2016-07-20 株式会社ジェイテクト トルクセンサ
WO2014160207A1 (en) 2013-03-13 2014-10-02 Tiax Llc Torque sensor
WO2014210524A1 (en) 2013-06-28 2014-12-31 Lord Corporation Torquemeter with improved accuracy and method of use
US9176159B2 (en) 2013-10-03 2015-11-03 Freescale Semiconductor Inc. Variable reluctance sensor interfaces with signal pre-processing and methods of their operation
US9176024B2 (en) 2013-10-23 2015-11-03 General Electric Company Systems and methods for monitoring rotary equipment
US10207396B2 (en) 2015-08-10 2019-02-19 Ateq Multi-function TPMS torque tool
JP6679608B2 (ja) 2015-10-20 2020-04-15 イーグル工業株式会社 非接触トルク計測方法
US10063124B2 (en) 2015-12-10 2018-08-28 Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. Shaft mounted monitor for rotating machinery
US10267691B2 (en) * 2016-06-30 2019-04-23 Deere & Company Aggregated pulse phase difference torque determination system and method
US10473535B2 (en) * 2017-01-27 2019-11-12 General Electric Company Methods and systems for non-contact magnetostrictive sensor runout compensation
IT201700086990A1 (it) 2017-07-28 2019-01-28 Bonfiglioli Riduttori Spa Dispositivo trasduttore per un albero rotante di una macchina
US11248971B2 (en) 2018-02-02 2022-02-15 Analog Devices International Unlimited Company Magnetic field torque and/or angle sensor
JP2019193388A (ja) 2018-04-23 2019-10-31 ルネサスエレクトロニクス株式会社 モータ駆動装置およびモータ駆動方法
WO2020037019A1 (en) 2018-08-14 2020-02-20 Lord Corporation Methods and systems for measuring torque using sensor calibration
US10955302B2 (en) 2018-10-12 2021-03-23 Deere & Company Torque determination system and method
GB201901113D0 (en) 2019-01-28 2019-03-13 Rolls Royce Plc Shaft monitoring system
JP6965303B2 (ja) 2019-04-03 2021-11-10 三菱電機株式会社 交流回転電機の制御装置

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