CN208458756U - 一种具有双路备份信号的传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了具有双路备份信号的传感器，包括磁性编码器，以及传感器本体总成，传感器本体总成采集来自于旋转磁性编码器产生的变化磁场，并同步输出双路绝对量式信号。本实用新型可以让传感器输出互为备份的两路绝对量式信号给控制器，大大减少永磁同步电机因传感器信号故障而无法运行的概率。

Description

一种具有双路备份信号的传感器

技术领域

本实用新型涉及探测技术，具体涉及传感器技术。

背景技术

电动汽车和混合动力车中大量采用了永磁同步电机，在实际使用中，需要对永磁同步电机进行精确的速度和扭矩控制。

永磁同步电机扭矩表达公式中T∝ψ*i(q)，其中ψ是永磁体磁场强度，是恒定不变的，也就是控制q轴定子电流即可直接控制电机的扭矩。在实际应用当中，需要使用传感器来确定永磁体磁极位置。特别是在低频或0速运行，重载启动等情况下，需要精确扭矩控制时，更加需要位置传感器将永磁体的磁极位置信息传输给控制器。

目前电动汽车和混合动力车中的永磁同步电机常用的传感器有磁性传感器和旋转变压器传感器等。

磁性传感器经常也被称为磁电式编码器，其原理是采用磁阻或者霍尔元件对变化的磁性材料的角度或者位移值进行测量。磁性材料角度或者位移的变化会引起一定电阻或者电压的变化，再经过电路的信号处理即可输出信号。

旋转变压器传感器的定子和转子之间的磁通分布符合正弦规律，因此当激磁电压加到定子绕组上时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电动势。其输出电压的大小取决于转子的角向位置，即随着转子偏移的角度呈正弦变化。感应电压的相位角等于转子的机械转角。因此只要检测出转子输出电压的相位角，就知道了转子的转角。

这类的传感器在实际的应用过程中存在许多的缺点，如：

1.现有的磁性传感器和旋转变压器传感器，一旦传感器发生损坏，采用永磁同步电机的电动车和混合动力车就无法继续行使。

2.传统的磁性传感器本身精度差。

3.旋转变压器传感器由于自身工作原理的限制。

实用新型内容

针对现有永磁同步电机用传感器所存在的问题，需要一种新的高可靠性的传感器方案。

为此，本实用新型所要解决的问题是提供一种具有双路备份信号的传感器，以克服现有技术所存在的缺陷。

为了解决上述问题，本实用新型提供的具有双路备份信号的传感器，其包括磁性编码器，以及传感器本体总成，所述传感器本体总成采集来自于旋转磁性编码器产生的变化磁场，并同步输出双路绝对量式信号。

优选的，所述传感器本体总成通过两路感应采集单元同步感应旋转磁性编码器产生的变化磁场，形成两组对应的电压信号，并基于两组电压信号计算输出两组绝对量式信号。

优选的，所述传感器本体总成包括两组磁感应单元以及电路板，每组磁感应单元包括若干颗磁感应芯片，两组磁感应单元中的若干颗磁感应芯片分别沿圆周方向安置在电路板上，且两组磁感应芯片之间呈同心圆分布，两组沿圆周方向分布的磁感应芯片内侧形成圆形感应区域，该圆形感应区域与磁性编码器配合，可容环形磁性编码器非接触的、可转动的安置在其内；所述电路板内具有两组信号处理电路，分别连接两组磁感应单元中的若干颗磁感应芯片。

优选的，两组磁感应单元中的若干颗磁感应芯片之间依次相间的沿同一圆周方向分布。

优选的，每组磁感应单元中包括1到36颗磁感应芯片。

优选的，所述磁性编码器通过充磁实现周期内的磁场呈正弦分布。

优选的，所述磁性编码器可以在一周360度内充磁多对磁极。

优选的，所述磁性编码器随目标物体旋转的同时，输出周期变化的连续磁场。

本实用新型可以让传感器输出互为备份的两路绝对量式信号给控制器，大大减少永磁同步电机因传感器信号故障而无法运行的概率。

同时，该磁性编码传感器的测量精度高、响应时间快，且工艺简单，寿命长，能工作在高温，油污的环境下。

再者，该磁性编码传感器的电路设计简单，实现方式巧妙，从而研发投入少，成本低。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本实用新型。

图1为本实用新型实例中具有双路备份信号的传感器的示意图；

图2为本实用新型实例中具有双路备份信号的传感器的剖视图；

图3为本实用新型实例中磁性编码器旋转时输出的周期变化的连续磁场示意图。

图4为本实用新型实例中传感器中磁感应芯片的位置排列示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

参见图1，其示出本实用新型实例中用于永磁同步电机具有双路备份信号的传感器的基本组成结构。

由图可知，本实例中的用于永磁同步电机具有自动对极功能的传感器100，主要包括环形磁性编码器110、传感器本体总成120。

其中，环形磁性编码器110在周期内(一周360度内可以设置多个周期)的磁场呈正弦分布，其非接触的嵌设在传感器本体总成120中，并可随目标物体在传感器本体总成120中旋转。

由此构成的传感器100，其中的环形磁性编码器110随目标物体旋转的同时，输出周期变化的连续磁场(一个旋转周期内，磁场强度呈正弦分布)；传感器本体总成120则通过两路感应采集单元同步采集来自于旋转磁性编码器110的变化磁场，形成两组对应的同步电压信号，并基于两组电压信号计算同步输出两组互为备份的绝对量式信号，基于该信号，可精确得到旋转绝对角度位置、旋转速度以及旋转方向。

针对上述的原理方案，以下通过一具体应用实例来进一步阐释本原理方案。

本传感器100中的环形磁性编码器110，其主要用于通过旋转输出不同磁性曲线，使环形传感器本体总成120感应不同的磁场强度。

参见图2，其所示为本实例中环形磁性编码器110的结构示意图。由图可知，该环形磁性编码器110主要由磁性材料111和支撑固定圈112相互配合组成，磁性材料111沿支撑固定圈112的圆周方向铺设在支撑固定圈112的外侧面上。

这里的支撑固定圈112，用于支撑和定型磁性材料111，并防止磁性材料111的破损，同时还具有聚磁(集磁)功能。这里通过固定圈112(即支撑固定圈)的集磁功能，能有效防止外界磁场对磁性材料111的干扰，使磁性材料111的磁力线分布更加均匀，磁场方向聚向磁环的径向，磁场强度更可控。

基于上述方案构成的环形磁性编码器110，其通过充磁实现周期内的磁场呈正弦分布，由此本环形磁性编码器110随目标物体旋转的同时，将可输出如图3所示的周期变化的连续磁场，磁场强度呈正弦分布。

磁性编码器110在一个旋转周期内可充磁n个周期变化的磁场，在上述方案中，n一般设置为1到20个。

参见图4，本传感器100中的传感器本体总成120主要包括电路板121、设置在电路板121上的两组磁感应芯片122，125，以及与电路板121连接的导线123。

第一组磁感应芯片122由若干磁感应芯片构成，第一组磁感应芯片122设置在电路板121上，作为环形传感器本体总成120中的第一组感应元件，用于感应磁性编码器110旋转时产生的磁场变化，同步形成对应的第一路电压信号。

第二组磁感应芯片125同样由若干磁感应芯片构成，第二组磁感应芯片125设置在电路板121上，作为环形传感器本体总成120中的第二组感应元件，用于感应磁性编码器110旋转时产生的磁场变化，同步形成对应的第二路电压信号。

本实例中的磁感应芯片122和125由霍尔或磁阻芯片构成，共计两组，每组所需的数量根据需要可采用1到36颗。作为举例，本实例方案中每组采用五个磁感应芯片。

由图可知，第一组五颗磁感应芯片122沿圆周方向安置在电路板121上，同时在沿圆周方向分布的磁感应芯片122与125的内侧形成圆形感应区域124，该圆形感应区域124的大小与环形磁性编码器110的尺寸对应，可容环形磁性编码器110非接触的、可转动的安置在其内。

与之配合的，第二组五颗磁感应芯片125，也沿圆周方向安置在电路板121上，并与第一组五颗磁感应芯片122呈同心圆分布；同时在沿圆周方向分布的磁感应芯片122与125的内侧也形成圆形感应区域124，该圆形感应区域124的大小与环形磁性编码器110的尺寸对应，可容环形磁性编码器110非接触的、可转动的安置在其内。

本实例中第二组五颗磁感应芯片125具体与第一组五颗磁感应芯片122沿同一圆周方向安置在电路板121上，并且两者之间依次相间等距分布。从而使得两者所形成的圆形感应区域重合。由此可使得第二组五颗磁感应芯片125与第一组五颗磁感应芯片122能够相互独立且同步的感应采集在圆形感应区域内旋转磁性编码器110的变化磁场，形成两组独立的同步电压信号。再者，由于两组感应芯片沿同一圆周依次相间等距分布，所形成的两组同步电压信号相互对应，可互为备份。

作为替换方案，两组磁感应芯片可不沿同一圆周分布，即两组分布的圆周半径不同，但两组磁感应芯片分布的圆周为同心。

在此基础上，两组磁感应芯片之间相对位置关系，可采用依次错开设置，具体的错开间距可根据实际需求而定。

两组磁感应芯片之间相对位置关系，还可采用一一对应分布设置，即第二组的磁感应芯片125与第一组中的磁感应芯片122一一对应分布分设置，这样可保证两组两组磁感应芯片之间相互独立且同步的感应采集在圆形感应区域内旋转磁性编码器110的变化磁场，形成两组相互独立且互为对应的同步电压信号。

由此当环形磁性编码器110旋转时，由于环形磁性编码器110上具有的特定磁性曲线，使得环形磁性编码器110上磁场不断发生变化，而两组独立设置的磁感应芯片122与125分别从不同位置感应对应的磁场信号，并输出对应的特定信号，即通过两组磁感应芯片122与125感应到不同位置的磁场信号，从而输出特定信号对应不同位置。

本实例中的电路板121为整个传感器100中的信号处理部件，其分别与两组中的各自五个磁感应芯片122与125连接，接收并处理磁感应芯片122与125感应环形磁性编码器110旋转时产生的周期性磁场变化所形成的电压信号，输出绝对量式信号。

为了高效精确的处理磁感应芯片122与125传输的信号，该电路板121中集成有两套计算电路，该两套计算电路分别连接第一组五颗磁感应芯片122和第二组五颗磁感应芯片125，分别同步获取两组感应芯片所采集到并形成的电压信号，并分别对磁感应芯片的特定信号进行波形叠加，形成并输出两组互为备份的绝对量式信号。这里的绝对量式信号可以为Sin/Cos，SPI，SSI，CAN，RS422，RS485等，但并不限于此。

本实例中的导线123为整个传感器100中的信号输出部件，其一端与环形电路板121的输出端连接，另一端可与相应的应用电路或设备连接，将电路板121产生的信号传出。

根据上述实施方案即可形成非接触式磁性编码传感器，该传感器在具体使用时，将其中的磁性编码器110与待测目标物体连接，并可随目标物体旋转；同时将环形传感器本体总成120通过其上的待接插件的线束123与相应的应用电路或设备进行连接。

其中的磁性编码器110通过充磁实现周期内的磁场呈正弦分布，磁性编码器随目标物体旋转的同时，输出周期变化的连续磁场(磁场强度呈正弦分布)。

传感器在供电后，通过分别沿圆周分布在电路板上的磁感应芯片122，125(霍尔或者磁阻芯片)采集来自于旋转磁性编码器产生的变化磁场，形成对应的电压信号并传至电路板121。

参见图4，磁感应芯片122和125分别沿同心圆周分布环形磁性编码器110的四周，每组中的相邻磁感应芯片之间相隔72度，从五个不同方位同步感应磁性编码器110旋转时产生的呈正弦变化的磁场强度，由此产生两组各五路电压信号，并同步传至电路板121，此时电路板121上的两套计算电路分别对采集到的两组各五路电压信号分别进行叠加运算，最终输出两组绝对量式信号。

另外，本非接触式磁性编码传感器采用非接触式磁感应原理，具有无磨损、长寿命的特征；而其内部的采用两组，每组1到36颗磁感应芯片(霍尔或磁阻芯片)布置，大大提高信号精度，并性价比最高。

再者，本非接触式磁性编码传感器整体模块化设计，结构紧凑，易于与被测应用集成，如轴承。

本实例给出的传感器100可靠性高，可用于永磁同步电机的电动车和混合动力车，在实际使用过程中，即使其中的一路信号发生故障，电机控制器仍可利用另外一路信号对永磁同步电机进行精确控制，使得车辆仍然可以正常行使。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.具有双路备份信号的传感器，包括磁性编码器，以及传感器本体总成，其特征在于，所述传感器本体总成采集来自于旋转磁性编码器产生的变化磁场，并同步输出双路绝对量式信号；所述传感器本体总成通过两路感应采集单元同步感应旋转磁性编码器产生的变化磁场，形成两组对应的电压信号，并基于两组电压信号计算输出两组绝对量式信号。

2.根据权利要求1所述的具有双路备份信号的传感器，其特征在于，所述传感器本体总成包括两组磁感应单元以及电路板，每组磁感应单元包括若干颗磁感应芯片，两组磁感应单元中的若干颗磁感应芯片分别沿圆周方向安置在电路板上，且两组磁感应芯片之间呈同心圆分布，两组沿圆周方向分布的磁感应芯片内侧形成圆形感应区域，该圆形感应区域与磁性编码器配合，可容环形磁性编码器非接触的、可转动的安置在其内；所述电路板内具有两组信号处理电路，分别连接两组磁感应单元中的若干颗磁感应芯片。

3.根据权利要求2所述的具有双路备份信号的传感器，其特征在于，两组磁感应单元中的若干颗磁感应芯片之间依次相间的沿同一圆周方向分布。

4.根据权利要求2所述的具有双路备份信号的传感器，其特征在于，每组磁感应单元中包括1到36颗磁感应芯片。

5.根据权利要求1所述的具有双路备份信号的传感器，其特征在于，所述磁性编码器通过充磁实现周期内的磁场呈正弦分布。

6.根据权利要求1所述的具有双路备份信号的传感器，其特征在于，所述磁性编码器可以在一周360度内充磁多对磁极。

7.根据权利要求1所述的具有双路备份信号的传感器，其特征在于，所述磁性编码器随目标物体旋转的同时，输出周期变化的连续磁场。