CN217786091U - 一种涡流感应式冗余型无刷电机位置传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种涡流感应式冗余型无刷电机位置传感器，包括：底座；电路板，其固定设置在底座上，并套设在电机转子轴外；靶板座，其固定设置在电机转子轴上；靶板，其固定设置在靶板座上；本实用新型传感器及电路板中间设置孔，可容纳电机转子轴穿过，可用于无刷空心电机的角度位置检测，靶板装配在电机转子轴上，与电机转子轴同步旋转。本实用新型传感器检测无刷电机转子的角度位置，两路检测电路具备安全冗余设计，传感器提供双路电机角度位置信号给控制器，实现电机角度信号的冗余型使用及高可靠性。

Description

一种涡流感应式冗余型无刷电机位置传感器

技术领域

本实用新型涉及无刷电机电控技术领域，尤其涉及一种涡流感应式冗余型无刷电机位置传感器。

背景技术

随着科技的进步，以电动化、自动化和智能化为代表的新一轮技术变革正从根本上影响着汽车行业和大众交通出行，多绕组冗余型无刷电机电控的应用越来越频繁，其功能安全要求及产品稳定性保证了车辆安全和自动驾驶的需求。为了满足当前车辆的布置空间小、成本降低的要求，无刷空心转子式电机被广泛应用于汽车转向、制动等产品中，因无刷空心转子电机在结构上可以容纳驱动的轴与电机转子轴11的本身同轴，使电机本身所需的安装空间缩小，其在总成产品的整车布置上具有极大优势。由此，一种制造工艺更简单、精度更高、成本更低且满足汽车功能安全要求的空心电机转角位置传感器的实用新型，将会大大的改善当前发展需要，该种新型传感器具有广阔的市场前景。

针对当前无刷空心转子电机的应用，其电机位置传感器均采用旋转变压式电机位置传感器，此类旋转变压式传感器制造工艺复杂、体积大、成本高，因其结构特性其仅能提供一路电机位置信号，没有冗余设计。如果该旋转变压式传感器信号失效或其对应的电机位置检测芯片失效，整个电控系统将无法运作，进而影响汽车的正常驾驶功能。无法满足汽车功能安全ASILD要求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种高转速、高精度、高可靠性且低成本的冗余型无刷空心电机位置传感器。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种涡流感应式冗余型无刷电机位置传感器，包括：

底座；

电路板，其固定设置在底座上，并套设在电机转子轴外侧；

靶板座，其固定设置在电机转子轴上；

靶板，其固定设置在靶板座上；

其中：

所述电路板上设置有检测电路，检测电路包括传感器模块、发射线圈和接收线圈，接收线圈包括第一接收线圈和第二接收线圈；所述第一接收线圈和第二接收线圈之间偏移一定角度；

所述电机转子轴用于通过靶板座带动靶板相对于电路板转动；

所述发射线圈用于产生励磁磁场；

所述靶板用于在相对于电路板转动时切割发射线圈产生的励磁磁场；

所述第一接收线圈和第二接收线圈用于在靶板切割励磁磁场时产生两个线圈电压，根据两个线圈电压计算得到电机转子位置。

优选地，所述第一接收线圈和第二接收线圈均在电路板上呈正弦波状围绕成环形，两者之间偏移90°。

优选地，所述靶板通过靶板注塑体固定设置在靶板座上。

优选地，所述底座上设置有电路板定位销；所述电路板定位销用于导向定位电路板的安装位置。

优选地，所述底座上设置有固定柱，电路板上开设有与固定柱相对应的固定孔，固定柱穿过电路板的固定孔后固定。

优选地，所述底座中注塑包裹有连接器针脚，连接器针脚两端外露；

所述连接器针脚其中一端作为针脚连接端并与电路板连接，连接器针脚另一端与控制器连接；

所述传感器模块用于对两个线圈电压进行同步解调及滤波处理，得到正弦电压信号和余弦电压信号；

所述控制器用于根据正弦电压信号和余弦电压信号，计算得到正弦电压值Vsin和余弦电压值Vcos；所述控制器还用于对正弦电压值Vsin和余弦电压值Vcos进行反正切运算，得到电机转子位置。

优选地，所述电路板上设置有两个检测电路。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型提供一种高转速、高精度、高可靠性、低成本且满足汽车功能安全ASILD等级要求的冗余型无刷空心电机位置传感器，有以下创新点：

1)、本实用新型传感器由底座、电路板、靶板等构成，结构设计及制造工艺简单；

2)、本实用新型传感器及电路板中间设置孔，可容纳电机转子轴穿过，可用于无刷空心电机的角度位置检测，靶板装配在电机转子轴上，与电机转子轴同步旋转。传感器通过检测靶板与电路板之间的相对转角位置，从而计算出电机转子轴的转角位置，并将此位置信号提供给控制器。

3)、本实用新型传感器电路板与靶板之间无接触，传感器无需磁铁、无需屏蔽，不受杂散磁场的影响。

4)、本实用新型传感器检测无刷电机转子的角度位置，两路检测电路均满足功能安全ASILC等级要求，具备安全冗余设计，具备双路检测的本传感器可满足汽车功能安全ASIL D等级要求，传感器提供双路电机角度位置信号给控制器，实现电机角度信号的高可靠性。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是一种涡流感应式冗余型无刷电机位置传感器的结构示意图；

图2是将底座固定到电机壳体上的结构示意图；

图3是底座的结构示意图；

图4是电路板的结构示意图；

图5是电路板装配到底座的结构示意图；

图6是传感器芯片与线圈的结构示意图；

图7是两个线圈电压信号的示意图。

其中：1、底座；2、电路板；3、靶板；4、靶板座；5、拧紧工艺孔；6、靶板注塑体；7、连接器针脚；8、安装孔；9、电路板定位销；10、检测电路；11、电机转子轴；12、螺钉；13、电机壳体；14、控制器；15、传感器连接器；16、针脚连接端；17、固定柱；18、固定柱顶部；19、第一中心孔；20、第二中心孔；21、传感器芯片；22、发射线圈；23、第一接收线圈；24、第二接收线圈。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

下面结合附图1-7对本实用新型做进一步的详细描述：

本实用新型提供的一种涡流感应式冗余型无刷电机位置传感器，包括：

底座1；

电路板2，其固定设置在底座1上，并套设在电机转子轴11外侧；

靶板座4，其固定设置在电机转子轴11上；

靶板3，其固定设置在靶板座4上；

控制器14；

其中：

所述电路板2上设置有检测电路10，检测电路10包括传感器模块21、发射线圈22和接收线圈，接收线圈包括第一接收线圈23和第二接收线圈24；所述第一接收线圈23和第二接收线圈24之间偏移一定角度；

所述发射线圈22、第一接收线圈23和第二接收线圈24均与传感器模块21连接；

所述传感器模块21与控制器14连接；

所述电机转子轴11用于通过靶板座4带动靶板3相对于电路板2转动；

所述发射线圈22用于产生励磁磁场；

所述靶板3用于在相对于电路板2转动时切割发射线圈22产生的励磁磁场；

所述第一接收线圈23和第二接收线圈24用于在靶板3切割励磁磁场时产生两个线圈电压；

所述传感器模块21用于对两个线圈电压进行同步解调及滤波处理，得到正弦电压信号和余弦电压信号；

所述控制器14用于根据正弦电压信号和余弦电压信号，计算得到电机转子位置。

在本实施例中，电路板2开设有第一中心孔19，底座1开设有第二中心孔20，电机转子轴11贯穿式穿过第一中心孔19和第二中心孔20；

传感器模块21、一个发射线圈22和两个接收线圈共同组成检测电路10；电路板2上设置两组检测电路10。

电路板2与靶板3之间无接触，靶板3与电路板2的安装必须保证在1.5mm至3mm间距内，传感器模块21无需磁铁、无需屏蔽，不受杂散磁场的影响。

传感器模块21通过检测靶板3与电路板2之间的相对转角位置，从而计算出电机转子轴11的转角位置，并将此位置信号提供给控制器。传感器模块21检测无刷电机转子的角度位置，两路检测电路具备安全冗余设计，可满足汽车功能安全ASIL D等级要求，传感器提供双路电机角度位置信号给控制器，实现电机角度信号的高可靠性。

优选地，所述第一接收线圈23和第二接收线圈24均在电路板2上呈正弦波状围绕成环形(即为第一接收线圈23和第二接收线圈24位于电机转子轴11外侧，呈正弦波状围绕成环形)，两者之间偏移90°。

在本实施例中，本实用新型采用一款无磁铁的电感式位置传感器芯片，利用涡流的物理原理来检测在一组线圈(发射线圈22、第一接收线圈23和第二接收线圈24)上方旋转的金属靶板3的位置，该组线圈由一个发射机线圈22和两个接收线圈组成。这三个线圈通常以铜走线的形式印刷在印刷电路板2上，其中第一接收线圈23和第二接收线圈24呈正弦波状，并且彼此偏移90°印刷在电路板2上。电机转子轴11通过靶板座4带动靶板3相对于电路板2转动，当传感器模块21上电后驱动发射线圈22产生励磁磁场时，由于靶板3的转动，靶板3对励磁磁场进行切割，从而使得第一接收线圈23和第二接收线圈24产生两个线圈电压，传感器模块21通过解调和处理来自接收器线圈的两个线圈电压，可获得目标靶板3在线圈上对应位置的电压信号；

传感器模块21对接收到的两个线圈电压信号进行同步解调，然后对其进行滤波处理。由于第一接收线圈23和第二接收线圈24具有90°的相位偏移，输出信号相对于目标位置也具有90°相移，从而生成比例的正弦和余弦信号代表金属靶板3的绝对角度位置。

优选地，靶板3通过靶板注塑体6固定设置在靶板座4上。靶板3和靶板座4上均开设有注塑孔，靶板注塑体6穿过靶板3和靶板座4的注塑孔，从而靶板注塑体6将靶板3固定在靶板座4上。靶板座4上还设置有拧紧工艺孔5，拧紧工艺孔5用来将靶板座4拧到电机转子轴11上进行固定。

优选地，底座1上设置有电路板定位销9；在底座1上安装电路板2时，电路板定位销9用于导向定位电路板2的安装位置。

优选地，底座1上设置有固定柱17，电路板2上开设有与固定柱17相对应的固定孔；在将固定柱17穿过电路板2的固定孔后，进行热熔铆接，从而将电路板2固定在底座1上。

优选地，所述底座1中注塑包裹有连接器针脚7，连接器针脚7两端外露；

所述连接器针脚7其中一端作为针脚连接端16并与电路板2连接，连接器针脚7另一端与控制器14连接；

所述传感器模块21用于对两个线圈电压进行同步解调及滤波处理，得到正弦电压信号和余弦电压信号；

所述控制器14用于根据正弦电压信号和余弦电压信号，计算得到正弦电压值Vsin和余弦电压值Vcos；所述控制器14还用于对正弦电压值Vsin和余弦电压值Vcos进行反正切运算，得到电机转子位置。

在本实施例中，电路板2上的传感器模块21与针脚连接端16连接；传感器模块21将生成的正值正弦电压信号、负值正弦电压信号和正值余弦电压信号、负值余弦电压信号通过连接器针脚7，发送给控制器14。控制器14包含控制器芯片，控制器芯片的作用为：通过电压采集模块采集正弦、余弦电压值，然后通过软件算法计算靶板3的绝对角度位置。

优选地，底座1、电路板2、靶板3和靶板座4均位于电机壳体13内，底座1上开设有三个安装孔8，三个螺钉12通过安装孔8将底座1固定到电机壳体13上。

优选地，靶板3为金属靶板，在靶板3的法兰面上，靶板3圆周平均分成了八等分，周向均匀间隔设有四个扇叶和四个缺口。

在本实施例中，电路板2上安装有两颗传感器模块21形成两路电机位置的检测电路10，每路检测电路10安装一颗满足ASIL C等级的芯片(传感器模块21)，每颗芯片连接有一个发射线圈22和两个接收线圈(第一接收线圈23和第二接收线圈24)。靶板3的扇叶通过电机转子轴11安装后正好覆盖在传感器模块21三个线圈上面。靶板3的四个扇叶用于对励磁磁场进行切割。

本实用新型采用一款无磁铁的电感式位置传感器芯片，利用涡流的物理原理来检测在一组线圈(发射线圈22、第一接收线圈23和第二接收线圈24)上方旋转的靶板3的位置，该组线圈由一个发射机线圈22和两个接收线圈组成。这三个线圈通常以铜走线的形式印刷在印刷电路板2上，其中两个接收线圈呈正弦波状，并且彼此偏移90°印刷在电路板2上。当传感器模块21上电后驱动发射线圈22产生励磁磁场时，由于靶板3的转动，靶板3的扇叶对磁场进行切割，从而使得第一接收线圈23和第二接收线圈24产生两个线圈电压，传感器模块21通过解调和处理来自接收器线圈的两个线圈电压，可获得目标靶板3在线圈上对应位置的电压信号；

传感器模块21对接收到的两个线圈电压信号进行同步解调，然后对其进行滤波处理。由于第一接收线圈23和第二接收线圈24具有90°的相位偏移，输出信号相对于目标位置也具有90°相移，从而生成比例的正弦和余弦信号代表靶板3的绝对角度位置。

本实用新型一种涡流感应式冗余型无刷电机位置传感器的安装方法，包括以下步骤：

1、连接器针脚7采用导电铜板模具冲压而成；

2、底座1采用模具注塑，注塑时将针7脚包裹到底座1里，连接器针脚7两端漏出，如图3所示；

3、将检测电路10的传感器模块21、发射线圈22、第一接收线圈23和第二接收线圈24预先贴片至电路板2上，然后进行焊接固定，如果4所示；

4、将焊接好检测电路10的电路板2装配到底座1上，将底座1的固定柱17穿过电路板2的固定孔后，固定柱顶部18热熔，从而将电路板2固定在底座1；然后将电路板2与连接器针脚7的针脚连接端16焊接好，如图5所示；

5、将底座1固定到电机壳体13上，如图2所示；

6、将带有靶板3的靶板座4固定在电机转子轴11上，如图2所示；装配完成。

本实用新型还公开一种涡流感应式冗余型无刷电机位置传感器的检测方法，包括以下步骤：

1)、通过电机转子轴11带动靶板3转动，传感器模块21上电后驱动发射线圈22产生励磁磁场，由于靶板3的转动，靶板3的扇叶对磁场进行切割，从而使得第一接收线圈23和第二接收线圈24产生两个线圈电压；

2)、通过第一接收线圈23和第二接收线圈24将两个线圈电压传输到传感器模块21，传感器模块21将接收到的两个线圈电压进行同步解调及滤波处理后，生成对应的正弦电压信号和余弦电压信号；

正弦电压信号包括正值正弦电压信号和负值正弦电压信号，余弦电压信号包括正值余弦电压信号和负值余弦电压信号；

3)、传感器模块21将生成的正弦电压信号和余弦电压信号发送到控制器14，控制器14通过Delta SigmaAnalog-to-Digital Converter电压检测模块检测生成的正弦电压信号和余弦电压信号，获得同一时刻角度对应的正弦电压值V_sin和余弦电压值V_cos；

4)、控制器14将正弦电压值V_sin和余弦电压值V_cos进行反正切运算，得到电机转子位置。

在本实施例中：

第一组传感器模块21的芯片上电后驱动发射线圈22产生励磁磁场，电机转子轴11带动靶板3转动时，由于靶板3的转动，靶板3的扇叶对磁场进行切割，从而使得第一接收线圈23和第二接收线圈24产生两个线圈电压，通过第一接收线圈23和第二接收线圈24将两个线圈电压发送到传感器模块21，传感器模块21将接收到的两个线圈电压进行同步解调及滤波处理后，生成对应的正弦电压信号和余弦电压信号，传感器模块21将生成的正弦电压信号和余弦电压信号发送到控制器14，控制器14通过Delta Sigma Analog-to-DigitalConverter电压检测模块检测正值正弦电压信号、负值正弦电压信号和正值余弦电压信号、负值余弦电压信号，获得同一时刻角度对应的正弦电压值V_sin和余弦电压值V_cos，然后控制器14的软件算法进行角度的反正切运算，将电压信号转换为靶板3的绝对角度位置，从而计算出第一组芯片检测到第一电机转子位置Position1。

电机转子位置Position的计算公式为：

同理，第二组传感器模块21与第一组采用相同的设计，在目标靶板3随电机转子轴11进行旋转时，第二组传感器模块21上电后驱动发射线圈22产生励磁磁场，由于靶板3的转动，靶板3的扇叶对磁场进行切割，从而使得第二组模块的第一接收线圈23和第二接收线圈24产生两个线圈电压，第二组传感器芯片通过解调和处理来自接收线圈23和24的两个线圈电压，可获得目标靶板3在线圈上对应位置的电压信号。

第二组传感器芯片对接收到的两个线圈电压信号进行同步解调，然后对其进行滤波处理，从而生成对应的正弦电压信号和余弦电压信号(正值正弦电压信号、负值正弦电压信号和正值余弦电压信号、负值余弦电压信号)代表金属靶板3的绝对角度位置。控制器14的Delta SigmaAnalog-to-Digital Converter模块通过采集第二组传感器芯片输出的正值正弦电压信号、负值正弦电压信号和正值余弦电压信号、负值余弦电压信号，获得同一时刻角度对应的正弦电压值Vsin和余弦电压值Vcos，然后软件算法进行角度的反正切运算，将电压信号转换为金属靶3的绝对绝对角度位置，从而计算出第二组芯片检测到电机转子位置Position2。

控制器14同时使用两路检测电路10，同时计算两路电压信号得到电机转子位置Position1和Position2，然后控制器14进行修正和补偿后得到一个精确的转子位置。

因本实用新型在同一布置空间使用了两路电机位置的检测电路10检测同一个电机转子的位置，因该传感器模块21使用了两个满足汽车功能安全ASIL C要求的传感器芯片，因该传感器模块21在电机位置检测电路中采用了冗余电路设计，在使用过程中，如果一路信号出现故障或失效后，控制器14仍可以通过检测到的另外一路电机角度信号进行电机的力矩、角度、转速控制，从而保证了控制系统的工作稳定性，系统容错性高。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何在本实用新型揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种涡流感应式冗余型无刷电机位置传感器，其特征在于，包括：

底座(1)；

电路板(2)，其固定设置在底座(1)上，并套设在电机转子轴(11)外侧；

靶板座(4)，其固定设置在电机转子轴(11)上；

靶板(3)，其固定设置在靶板座(4)上；

控制器(14)；

其中：

所述电路板(2)上设置有检测电路(10)，检测电路(10)包括传感器模块(21)、发射线圈(22)和接收线圈，接收线圈包括第一接收线圈(23)和第二接收线圈(24)；所述第一接收线圈(23)和第二接收线圈(24)之间偏移一定角度；

所述发射线圈(22)、第一接收线圈(23)和第二接收线圈(24)均与传感器模块(21)连接；

所述传感器模块(21)与控制器(14)连接；

所述电机转子轴(11)用于通过靶板座(4)带动靶板(3)相对于电路板(2)转动；

所述发射线圈(22)用于产生励磁磁场；

所述靶板(3)用于在相对于电路板(2)转动时切割发射线圈(22)产生的励磁磁场；

所述第一接收线圈(23)和第二接收线圈(24)用于在靶板(3)切割励磁磁场时产生两个线圈电压；

所述传感器模块(21)用于对两个线圈电压进行同步解调及滤波处理，得到正弦电压信号和余弦电压信号；

所述控制器(14)用于根据正弦电压信号和余弦电压信号，计算得到电机转子位置。

2.根据权利要求1所述的一种涡流感应式冗余型无刷电机位置传感器，其特征在于：

所述第一接收线圈(23)和第二接收线圈(24)均在电路板(2)上呈正弦波状围绕成环形，两者之间偏移90°。

3.根据权利要求1所述的一种涡流感应式冗余型无刷电机位置传感器，其特征在于：

所述靶板(3)通过靶板注塑体(6)固定设置在靶板座(4)上。

4.根据权利要求1所述的一种涡流感应式冗余型无刷电机位置传感器，其特征在于：

所述底座(1)上设置有电路板定位销(9)；所述电路板定位销(9)用于导向定位电路板(2)的安装位置。

5.根据权利要求1所述的一种涡流感应式冗余型无刷电机位置传感器，其特征在于：

所述底座(1)上设置有固定柱(17)，电路板(2)上开设有与固定柱(17)相对应的固定孔，固定柱(17)穿过电路板(2)的固定孔后固定。

6.根据权利要求3所述的一种涡流感应式冗余型无刷电机位置传感器，其特征在于：

所述底座(1)中注塑包裹有连接器针脚(7)，连接器针脚(7)两端外露；

所述连接器针脚(7)其中一端作为针脚连接端(16)并与电路板(2)连接，连接器针脚(7)另一端与控制器(14)连接；

所述控制器(14)计算得到正弦电压值Vsin和余弦电压值Vcos；

所述控制器(14)还用于对正弦电压值Vsin和余弦电压值Vcos进行反正切运算，得到电机转子位置。

7.根据权利要求4所述的一种涡流感应式冗余型无刷电机位置传感器，其特征在于：

所述电路板(2)上设置有两个检测电路(10)。

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