CN207021917U - 位置传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种位置传感器，包括：定子模块，所述定子模块包括激励线圈及接收线圈；其中所述激励线圈用于通过高频周期性交流电压和电流，在所述定子模块区域内产生交变电磁场；所述接收线圈设置在所述激励线圈产生的交变电磁场区域内，并产生感应电动势；转子模块，所述转子模块用于影响激所述激励线圈和所述接收线圈之间的电磁耦合强度；处理电路，所述处理电路处理从所述接收线圈上得到的电压信号输出电机所需编码信号。与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：1)稳固的传感器结构。2)提高信号分辨率。3)多种输出信号形式。4)灵活的应用安装方式。

Description

位置传感器

技术领域

本实用新型涉及一种新型的电磁感应式编码器，特别涉及但不限于一种用于产生电机所需编码信号的电磁感应式位置传感器。

背景技术

随着电机在军事、航天设备、汽车及医疗等行业的不断应用及推广，行业在选择电机时对其寿命、成本及恶劣环境下的表现有了更加苛刻的要求。而作为检测及反馈电机位置的编码器，在电机控制中启到举足轻重的作用，一款优秀的编码器很大程度上决定了电机的性能，目前电机编码器方案主要包括：

光电编码器

工作方式：一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，是目前应用最多的传感器。一般由光栅盘和光电探测装置组成，当光栅盘转动时，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号。

缺陷：光栅盘易碎、易受到油污及粉尘等污染造成信号丢失.

霍尔磁传感器

工作方式：霍尔传感器被固定在定子上，当转子磁钢的S极和N极依次经过霍尔传感器时，霍尔传感器输出高低电平位置信号，再输入到电机控制器内进行换相。

缺陷：传感器安装形式复杂，在恶劣的电磁场工作环境下，霍尔传感器易损害或烧毁。

磁旋转编码器

工作方式：该方案将一个圆形径向充磁磁铁固定在IC的上方或下方，磁铁旋转一周，IC得到一个周期为360度的正弦波信号，再通过后端信号处理得到方波。

缺陷：高温下磁铁退造成信号精度降低；磁铁充磁技术要求高，特别是N、S极连接处充磁不均匀导致正弦波信号失真，输出信号精度降低；安装精度要求高，防震性差；只能安装在电机转轴末端。

以上方案在可靠性、精度、输出信号种类和安装方式等方面均有不同程度的缺陷。因此，市场如今迫切需要一种新的位置传感器，来克服现在方案所存在的缺陷。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型目的在于提供一种解决上述方案在传感器易损坏、信号分辨率、输出形式和安装方式等方面缺陷的位置传感器。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种位置传感器，包括：定子模块，所述定子模块包括激励线圈及接收线圈；其中所述激励线圈用于通过高频周期性交流电压和电流，在所述定子模块区域内产生交变电磁场；所述接收线圈设置在所述激励线圈产生的交变电磁场区域内，并产生感应电动势；转子模块，所述转子模块用于影响激所述激励线圈和所述接收线圈之间的电磁耦合强度；处理电路，所述处理电路处理从所述接收线圈上得到的电压信号输出电机所需编码信号。

优选地，所述转子模块包括金属块、金属片或载具以及设置在所述载具上的导电件；其中所述载具为规则多边形或扇环形，优选为圆形。

优选地，所述导电件为金属、闭合多圈螺旋形金属导线、闭合金属导线或导电胶。

优选地，所述导电件为扇环形、闭合螺旋形、扇形或类正弦形。

优选地，所述转子模块的数量为一个或多个。

优选地，所述激励线圈由一圈或多圈金属导线串联而成，优选为沿圆周方向绕制的金属导线串联而成。

优选地，所述激励线圈设置在所述接收线圈的外圈和/或内圈；所述激励线圈和所述接收线圈错层设置。

优选地，所述接收线圈包括一个或多个接收单元。

优选地，所述接收单元包括一个或多个周期的扇环形、闭合螺旋形或类正弦形图形。

优选地，所述处理电路至少包括振荡电路和信号计算电路；其中所述振荡电路配合所述激励线圈产生高频周期性交流电压和电流，所述信号计算电路用于处理接收线圈的耦合信号并输出位置编码信号；所述位置编码信号为UVW、正交AB、线性模拟输出、PWM或正余弦信号。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1)稳固的传感器结构，采用机械强度高的材料(如金属)更容易加固转子模块与电机转轴之间的连接，在转速过快的情况下因其本身材料的坚固也不会发生变形、碎裂的情况。

2)提高信号分辨率，定子模块上的接收线圈具有一个或多个周期性重复的特定几何图形结构特点，其几何图形包括扇形、闭合螺旋形和类正弦形。接收线圈重复周期越多，在被测量角度范围内得到的接收信号数量越多，输出信号的分辨率越高，这样做可以提高编码信号精度，同时加快处理电路计算速度。

3)多种输出信号形式，信号处理电路用于处理接收线圈上产生的电压信号，通过解调、放大和处理后，最终输出多种电机编码信号，如UVW、正交AB、线性模拟输出、PWM和正余弦信号等电机位置信号，多样化的输出形式可以满足客户不同应用的需求。

4)灵活的应用安装方式，传感器安装在外壳内，并以穿轴的方式安装和应用，也可以根据电机结构限制采取转轴末端安装或者侧边安装的方式。多样的安装方式保证了本实用新型中涉及的电磁感应式编码器在各类型电机应用都能灵活自如。

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，本实用新型的其它特征目的和优点将会变得更明显。

图1为本实用新型位置传感器使用示意图；

图2a为本实用新型位置传感器转子模块实例一结构示意图；

图2b为本实用新型位置传感器转子模块实例二结构示意图；

图2c为本实用新型位置传感器转子模块实例三结构示意图；

图2d为本实用新型位置传感器转子模块实例四结构示意图；

图2e为本实用新型位置传感器转子模块实例五结构示意图；

图2f为本实用新型位置传感器转子模块实例六结构示意图；

图3a为本实用新型位置传感器激励线圈实例一结构示意图；

图3b为本实用新型位置传感器激励线圈实例二结构示意图；

图3c为本实用新型位置传感器激励线圈实例三结构示意图；

图4a为本实用新型位置传感器接收线圈实例一结构示意图；

图4b为本实用新型位置传感器接收线圈实例二结构示意图；

图4c为本实用新型位置传感器接收线圈实例三结构示意图；

图4d为本实用新型位置传感器接收线圈实例四结构示意图；

图5为本实用新型位置传感器处理电路流程示意图。

具体实施方式

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

图1为本实用新型所述电磁感应式编码器的常用安装剖面图。根据图1所示，随轴心线6旋转的电机转轴4穿过传感器中心过孔安装。转子模块1固定在转轴4上，定子模块2通过定位轴5安装在编码器外壳8上，处理电路3放置在定子模块2上，而编码器外壳8通过螺丝孔7固定在无刷直流电机上。转子模块1和定子电路2相互靠近、平行且同轴放置，都被编码器外壳8包裹在内。本实用新型所涉及的电磁感应式编码器拥有灵活的安装形式，如图1所示的穿轴应用。也可以根据电机结构限制采取转轴末端安装或者侧边安装的方式。多样的安装方式保证了本实用新型中涉及的电磁感应式编码器在各类型电机应用都能灵活自如。

图2a-2f展示了转子模块多种实现方式及其结构特点。

图2a所示转子模块为电磁感应材料制作而成的特定图形金属片(块)，其几何图形包括扇环形、闭合螺旋形或类正弦形。

如图2a所示，转子模块沿圆周方向包含4个安装在载具11上的几何形状相同、周期性重复的实心金属叶片11-1、11-2、11-3和11-4，金属叶片图案为扇环形。

图2b-2e所示转子模块为电磁感应材料构成的具有1个或多个周期性重复的特定几何图形覆盖于非电磁感应材料制作的载具上，其几何图形包括扇环形、闭合螺旋形或类正弦形。

如图2b所示，转子模块沿圆周方向包含8个几何形状相同、周期性重复的导电胶12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6、12-7和12-8，导电胶形状为扇环形，均匀覆盖于绝缘材料载具13上。

如图2c所示，转子模块沿圆周方向包含8个几何形状相同、周期性重复的闭合多圈螺旋形金属导线14-1、14-2、14-3、14-4、14-5、14-6、14-7和14-8，金属导线覆盖于绝缘材料载具13的正反两面上。

如图2d所示，转子模块沿圆周方向包含8个几何形状相同、周期性重复的实心金属扇形15-1、15-2、15-3、15-4、15-5、15-6、15-7和15-8，实心金属扇形覆盖于绝缘材料载具13上。

图2e所示转子模块由一条闭合金属导线16构成，该闭合金属导线16沿圆周方向绘制有8个几何形状相同、周期性重复的类正弦曲线。闭合金属导线16覆盖于绝缘材料载具13的正反两面上。

图2f所示转子模块为电磁感应材料制作的导线缠绕于非电磁感应材料制作的具有1个或多个周期性重复的特定几何图形载具上，其几何图形包括扇形、闭合螺旋形或类正弦形。

如图2f所示，闭合多圈金属导线10缠绕于一个覆盖角度范围为任意角度(如90°或180°等)的扇环形绝缘材料9上。

本实用新型所涉及的电磁感应式编码器，其转子模块上包含1个或多个几何形状相同、周期性重复的特定几何图形，其几何图形包括扇环形、闭合螺旋形和类正弦形。为了方便信号检测和计算，转子模块上绘制的几何图形及重复周期一般与定子模块上接收线圈的几何图形及重复周期保持一致，但实际应用中也可以不同。

本实用新型所涉及的组成转子模块的电磁感应材料和非电磁感应材料一般采用机械强度高的材料，因为在实际应用中，当电机转速过快的情况下容易造成普通材料(如印刷电路板)发生变形、碎裂等情况，造成对电机和传感器本身的损坏。而采用机械强度高的材料(如金属)更容易加固转子模块与电机转轴之间的连接，在转速过快的情况下因其本身材料的坚固也不会发生变形、碎裂的情况。但如果只是将印刷电路板材料换成实心金属材料，虽然能加强传感器机械强度，但是在实心金属上产生的涡流场对接收线圈的影响不均匀，会导致接收线圈上的电压信号曲线受到影响，降低输出信号的精度。所以本实用新型将普通材料换成机械强度高的材料(如金属)的同时，对其形状进行修改(如闭合金属导线)，使得最终成形的转子模块上的几何图形和接收线圈的几何图形相似，转子模块产生的涡流场将均匀影响接收线圈，使接收线圈上的电压信号保持稳定，提高输出信号的精度。

本实用新型所涉及的电磁感应式编码器，其转子模块受到激励线圈交变电磁场的影响而产生涡流场，从而削弱激励线圈上的电磁场。由于转子模块的特定几何形状，涡流场沿特定路线，即圆周方向改变激励电磁场。不均匀的激励电磁场将导致接收线圈中的感应电动势发生变化，且其变化根据转子与接收线圈的相对角度位置而不同。

本实用新型所述的电磁感应式编码器，其激励线圈位于定子模块上，由1圈或多圈的金属导线串联而成，优选为沿圆周方向绕制的金属导线串联而成。

图3a为激励线圈实例一示意图。

如图3a所示，激励线圈可以放置在接收线圈的外圈(或者内圈)。激励线圈19放置在接收线圈18的外圈，其由5匝同心金属导线19-3串联而成，两端通过通孔19-1和19-2连接到处理电路。

图3b为激励线圈实例二示意图。

如图3b所示，激励线圈同时放置于接收线圈的内外圈。激励线圈20同时放置于接收线圈18的内外两侧，其由外圈5匝同心金属导线20-3和内圈5匝同心金属导线20-4串联而成，激励线圈20两端通过通孔20-1和20-2连接到处理电路。

图3c为激励线圈实例三示意图。

如图3c所示，如果安装空间受到限制，可以将激励线圈平行放置于接收线圈底下来节省定子模块的面积。激励线圈21平行放置在接收线圈18底下，其由4匝同心圆形金属导线21-3串联而成，激励线圈21两端通过通孔21-1和21-2连接到处理电路。

本实用新型所述的电磁感应式编码器，其激励线圈与处理电路相连接，用于通过高频周期性交流电压和电流，在定子模块区域内产生交变电磁场。

本实用新型所述的电磁感应式编码器，其接收线圈位于定子模块上，接收线圈包括1个或多个接收线圈，相邻接收线圈之间存在特定的角度相位差。每个接收线圈具有1个或多个周期性重复的特定几何图形结构特点，其几何图形包括类正弦形、扇环形或闭合螺旋形。

图4a为接收线圈实例一示意图。

如图4a所示，定子模块上包括3个接收线圈23、24和25，3个接收线圈放置在激励线圈22内侧。3个接收线圈相邻之间存在特定的角度相位差。每组接收线圈分别沿圆周方向用金属导线绕制类正弦形，接收线圈23两端通过通孔23-1和23-2接入处理电路，形成闭合回路。接收线圈24两端通过通孔24-1和24-2接入处理电路，形成闭合回路。接收线圈25两端通过通孔25-1和25-2接入处理电路，形成闭合回路。该类正弦形图案在空间上有着周期性重复的特点。采用上述接收线圈可以在特定周期范围内得到3组相互之间存在特定角度相位差的接收信号。

图4b为接收线圈实例二示意图。

如图4b所示，定子模块上包括2个接收线圈26和接收线圈27，2个接收线圈放置在激励线圈22内侧。2个接收线圈相邻之间存在特定的角度相位差。每组接收线圈分别沿圆周方向用金属导线顺时针绕制扇环形图案，接收线圈26两端通过通孔26-1和26-2接入处理电路，形成闭合回路。接收线圈27两端通过通孔27-1和27-2接入处理电路，形成闭合回路。每个接收线圈上的扇环形图案在空间上有着周期性重复的特点。采用上述接收线圈可以在特定周期范围内得到2组相互之间存在特定角度相位差的接收信号。

图4c为接收线圈实例三示意图。

如图4c所示，定子模块上包括1个覆盖角度范围为任意角度(如90°或180°等)的闭合螺旋形接收线圈28，其放置在激励线圈22内侧。接收线圈28沿圆周方向用金属导线绕制闭合螺旋形图案，金属导线的两端通过通孔28-1和28-2接入处理电路，形成闭合回路。采用上述接收线圈可以在特定周期范围内得到1组接收信号。

图4d为接收线圈实例四示意图。

如图4d所示，定子模块上包括接收线圈的组合，实线为接收线圈29和接收线圈30(接收线圈29两端通过通孔29-1和29-2接入处理电路，形成闭合回路，接收线圈30两端通过通孔30-1和30-2接入处理电路，形成闭合回路)，其中接收线圈29和接收线圈30相当于图4a所示接收线圈实例一的接收线圈23和接收线圈24(接收线圈23两端通过通孔23-1和23-2接入处理电路，形成闭合回路，接收线圈24两端通过通孔24-1和24-2接入处理电路，形成闭合回路)。虚线为接收线圈31和接收线圈32(接收线圈31两端通过通孔31-1和31-2接入处理电路，形成闭合回路，接收线圈32两端通过通孔32-1和32-2接入处理电路，形成闭合回路)，其中接收线圈31和接收线圈32相当于图4b所示接收线圈实例二的接收线圈26和接收线圈27(接收线圈26两端通过通孔26-1和26-2接入处理电路，形成闭合回路，接收线圈27两端通过通孔27-1和27-2接入处理电路，形成闭合回路)。接收线圈31和接收线圈32平行放置于接收线圈29和接收线圈30下侧。接收线圈(29、30、31、32)均放置在激励线圈22内侧。采用上述接收线圈可以在特定周期范围内得到4组接收信号。

本实用新型所述的电磁感应式编码器，其接收线圈位于激励线圈产生的交变电磁场区域内，根据法拉第电磁感应定律可知，通过闭合线圈的磁通量发生变化，会在闭合线圈上产生感应电动势。因此，接收线圈上将产生相应的感应电动势，然后输入处理电路进行计算。

为了方便信号检测和计算，转子模块上绘制的几何图形及重复周期一般与定子模块上接收线圈的几何图形及重复周期保持一致，但实际应用中也可以不同。

本实用新型所述的电磁感应式编码器，其定子模块上的接收线圈具有1个或多个周期性重复的特定几何图形结构特点，其几何图形包括类正弦形、扇环形或闭合螺旋形。接收线圈重复周期越多，在被测量角度范围内得到的接收信号数量越多，输出信号的分辨率越高，这样做可以提高编码信号精度，同时加快处理电路计算速度。

本实用新型所述的电磁感应式编码器，其接收线圈和激励线圈被放置在一块非电磁感应材料板上，如印刷电路板(PCB)。

本实用新型所述的电磁感应式编码器，其处理电路可以放置在定子模块的非电磁感应材料板上，也可以放在其他地方。处理电路可以是由分立器件构建的外围电路，也可以是一颗ASIC专用处理芯片。

本实用新型所述的电磁感应式编码器，其内部包括一个振荡电路和信号处理电路。

本实用新型所述的电磁感应式编码器，其振荡电路用于产生配合激励线圈产生高频周期性交流电压和电流。

如图5所示，本实用新型所述的电磁感应式编码器，其信号处理电路用于处理接收线圈上产生的电压信号，通过解调、放大和其他运算模块处理后，最终输出多种电机编码信号，如UVW、正交AB、线性模拟输出、PWM和正余弦信号等电机位置信号。多样化的输出形式可以满足客户不同应用的需求。

基于上述电磁感应式编码器架构，其电机应用工作方式如下：

1)当电机控制器给电磁感应式编码器通电后，处理电路配合激励线圈产生高频周期性交流电压和电流，流过激励线圈的交变电流将在定子模块区域内形成交变电磁场。

2)根据法拉第电磁感应定律可知，通过闭合线圈的磁通量发生变化，会在闭合线圈上产生感应电动势。当激励线圈上产生的交变电磁场穿过闭合接收线圈时，由于通过闭合接收线圈的磁通量发生交变，在每个扇形线圈上产生频率相同的交变感应电动势。

3)转子模块用于影响激励线圈和接收线圈之间的耦合关系，当电机转动时，带动转子模块一起旋转，激励线圈的交变电磁场使得转子模块产生涡流场，从而削弱激励线圈的电磁场。不均匀的电磁场将导致接收线圈上的感应电动势发生变化。当转子模块与定子模块发生相对变化时，在接收线圈上得到1个或多个周期性变化的电压信号曲线，通过处理电路计算后得到电机所需编码信号。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型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，这并不影响本实用新型的实质内容。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 (12)

1.一种位置传感器，其特征在于，包括：

定子模块，所述定子模块包括激励线圈及接收线圈；其中

所述激励线圈用于通过高频周期性交流电压和电流，在所述定子模块区域内产生交变电磁场；

所述接收线圈设置在所述激励线圈产生的交变电磁场区域内，并产生感应电动势；

转子模块，所述转子模块用于影响激所述激励线圈和所述接收线圈之间的电磁耦合强度；

处理电路，所述处理电路处理从所述接收线圈上得到的电压信号输出电机所需编码信号。

2.根据权利要求1所述的位置传感器，其特征在于，所述转子模块包括金属块、金属片或载具以及设置在所述载具上的导电件；其中所述载具为规则多边形或扇环形。

3.根据权利要求1所述的位置传感器，其特征在于，所述转子模块包括金属块、金属片或载具以及设置在所述载具上的导电件；其中所述载具为圆形。

4.根据权利要求2或3所述的位置传感器，其特征在于，所述导电件为金属、闭合多圈螺旋形金属导线、闭合金属导线或导电胶。

5.根据权利要求2所述的位置传感器，其特征在于，所述导电件为扇环形、闭合螺旋形、扇形或类正弦形。

6.根据权利要求1所述的位置传感器，其特征在于，所述转子模块的数量为一个或多个。

7.根据权利要求1所述的位置传感器，其特征在于，所述激励线圈由一圈或多圈金属导线串联而成。

8.根据权利要求1所述的位置传感器，其特征在于，所述激励线圈为沿圆周方向绕制的金属导线串联而成。

9.根据权利要求8所述的位置传感器，其特征在于，所述激励线圈设置在所述接收线圈的外圈和/或内圈；所述激励线圈和所述接收线圈错层设置。

10.根据权利要求1或9所述的位置传感器，其特征在于，所述接收线圈包括一个或多个接收单元。

11.根据权利要求10所述的位置传感器，其特征在于，所述接收单元包括一个或多个周期的扇环形、闭合螺旋形或类正弦形图形。

12.根据权利要求1所述的位置传感器，其特征在于，所述处理电路至少包括振荡电路和信号计算电路；其中

所述振荡电路配合所述激励线圈产生高频周期性交流电压和电流，所述信号计算电路用于处理接收线圈的耦合信号并输出位置编码信号；

所述位置编码信号为UVW、正交AB、线性模拟输出、PWM或正余弦信号。