KR20220022457A - 샤프트들을 회전시키기 위한 유도 토크 센서 - Google Patents

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KR20220022457A
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Abstract

설명된 기법들은 독립적인 타겟 코일 및 픽업 코일 시스템들을 구현하는 유도 토크 센서들에 관한 것이다. 다양한 원리들의 유도 각도 센서들을 이용함으로써, 그리고 타겟 코일들의 특정 물리적 배열의 결과로서, 유도 토크 센서는 하나의 픽업 코일 시스템을 통해 회전가능 입력 샤프트의 회전 위치(즉, 기계적 각도)와, 다른 픽업 코일 시스템을 통해 회전가능 출력 샤프트의 회전 위치(즉, 기계적 각도)를 독립적으로 획득할 수 있다. 결합기 회로부는 두 개의 개별 픽업 코일 시스템들의 각각에서 유도되는 신호들을 사용하여 비틀림 각도를 계산하기 위해 또한 제공된다. 코일 구성들에 대해 타겟 코일들에서 상이한 k중 대칭 주기수들을 사용함으로써, 유도 토크 센서는 상이한 타겟 코일 시스템들 사이의 상호 커플링을 유리하게 감소시키거나 또는 제거하고 표유 또는 외부 전자기장들에 대한 강건성을 제공한다.

Description

샤프트들을 회전시키기 위한 유도 토크 센서{INDUCTIVE TORQUE SENSOR FOR ROTATING SHAFTS}
본 개시에서 설명되는 양태들은 대체로 토크 센서들에 관한 것이고, 더 상세하게는, 유도 각도 센서들을 구현하는 토크 센서들에 관한 것이다.
특정한 애플리케이션들의 경우 회전가능 샤프트에 연관되는 전달된 토크를 측정하는데 유용하다. 토크 센서들은, 비틀림 기계적 입력을 전기 출력 신호로 변환하는 변환기들로, 이 목적으로 종래에 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 종래의 토크 센서들은 많은 비용이 들고, 전자기 교란들에 대한 강건성의 부족을 겪을 수 있다. 그러므로, 현재 토크 센서들은 부적당하다.
다시, 종래의 토크 센서들은 많은 비용이 들고 전자기장들의 강건성의 부족을 겪을 수 있다. 따라서, 본 개시에서 설명되는 실시예들은 측정가능 토크의 전달을 초래할 수 있는 회전 샤프트들 또는 임의의 다른 적합한 컴포넌트들 사이에서 토크 각도를 측정하기 위해 유도 각도 센서들의 사용을 활용함으로써 이들 문제들을 해결한다. 본 개시에서 설명되는 실시예들은 유도 각도 센서 아키텍처의 일부로서 사용되는 회전가능 입력 샤프트를 통해 전달되는 토크를 측정하기 위해 유도 각도 센서들의 원리들을 이용한다. 본 개시에서 설명되는 유도 토크 센서 실시예들은, 특히 전자기 교란들에 대해, 저비용이며, 정확하고, 강건하다.
본 개시에서 설명되는 실시예들은 공통 중심축을 갖고 비틀림 엘리먼트를 형성하기 위해 서로 커플링되는 회전가능 입력 샤프트와 회전가능 출력 샤프트 사이에 물리적 배열을 구현한다. 이 커플링의 결과로서, 회전가능 입력 샤프트와 회전가능 출력 샤프트는 비틀림 각도를 형성하기 위해 서로에 대해 비틀리며, 따라서 토크의 전달을 지시할 수 있다. 비틀림 각도는 회전가능 입력 샤프트의 전체 360 도 회전의 일부(예컨대, ± 5 도)이고, 이 비틀림 각도 값에 비례하는 전달된 토크의 크기 및 방향 둘 다를 지시한다. 따라서, 타겟 코일들은, 하나의 타겟 코일이 회전가능 입력 샤프트의 부분에 장착되고 다른 타겟 코일이 회전가능 출력 샤프트에 장착되어, 회전가능 입력 샤프트 및 회전가능 출력 샤프트의 공통 중심축에 동축으로 장착될 수 있다.
아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 본 개시에서 논의되는 유도 토크 센서 실시예들은 독립적인 전력 코일, 타겟 코일, 및 픽업 코일 시스템들을 구현할 수 있다. 유도 각도 센서들의 다양한 원리들을 이용함으로써, 그리고 타겟 코일들의 전술한 배열의 결과로서, 본 개시에서 설명되는 유도 토크 센서 실시예들은 하나의 픽업 코일 시스템을 통해 회전가능 입력 샤프트의 회전 위치(즉, 기계적 각도)와, 다른 픽업 코일 시스템을 통해 회전가능 출력 샤프트의 회전 위치(즉, 기계적 각도)를 독립적으로 획득할 수 있다. 결합기 회로부는 제각각의 타겟 코일을 통해 개별 픽업 코일 시스템들의 각각의 안으로 유도된 신호들을 사용하여 비틀림 각도를 계산하기 위해 또한 제공된다. 더구나, 코일 구성들에 대한 타겟 코일들에서 상이한 k중 대칭(k-fold symmetry) 주기수들을 사용함으로써, 본 개시에서 설명되는 토크 센서 실시예들은 상이한 타겟 코일 시스템들 사이의 상호 커플링을 유리하게 감소시키거나 또는 제거하고 표유 또는 외부 전자기장들에 대한 강건성을 제공할 수 있다.
본 출원서에 포함되고 본 출원서의 일부를 형성하는 첨부 도면들은, 본 개시의 양태들을 예시하고, 상세한 설명과 함께, 양태들의 원리들을 설명하는데 그리고 관련 기술분야의 통상의 기술자가 양태들을 만들고 사용하는데 또한 기여한다.
도 1은 종래의 유도 각도 센서 아키텍처의 일 예를 도시한다.
도 2는 캐리어 주파수로부터 복조된 후 회전자의 회전 각도들을 가변하기 위한 도 1에 도시된 바와 같은 두 개의 수신 코일들에서 유도되는 진폭 변조된 전압들의 포락선들의 일 예를 도시한다.
도 3은 회전자의 회전 각도들을 가변하기 위한 도 1에 도시된 바와 같은 두 개의 수신 코일들에서 각도 변위 전압들에 대한 선형 위상 각도 변화들의 일 예를 도시한다.
도 4a는 도 1에 도시된 바와 같은 수신 코일들 중 하나의 수신 코일의 예시적인 권선을 도시한다.
도 4b는 캐리어 주파수로부터의 진폭 복조 후 자신들의 유도 전압 신호들 사이에 위상 오프셋을 유발하기 위해 서로에 대해 회전되는 도 1에 도시된 바와 같은 수신 코일들의 일 예를 도시한다.
도 5는 시간이 지남에 따라 도 1의 종래의 2상 유도 각도 센서 아키텍처에 연관되는 다양한 신호들의 생성의 일 예를 도시한다.
도 6은 자신들의 유도 전압 신호들 사이에 위상 오프셋을 유발하기 위해 서로에 대해 회전되는 3상 픽업 코일 시스템의 일부를 형성하는 수신 코일들의 일 예를 도시한다.
도 7은 도 6에 도시된 바와 같은 3상 픽업 코일 시스템을 사용하여 시간이 지남에 따라 도 1의 종래의 유도 각도 센서 아키텍처에 연관되는 다양한 신호들의 생성의 일 예를 도시한다.
도 8은 본 개시의 하나 이상의 실시예들에 따라 사용되는 유도 각도 센서 시스템의 일 예를 도시한다.
도 9는 본 개시의 하나 이상의 실시예들에 따라 사용되는 도 8의 유도 각도 센서 시스템과 함께 사용되는 유도 각도 센서 회로부의 일 예를 도시한다.
도 10a는 본 개시의 하나 이상의 실시예들에 따른, 하나의 예시적인 유도 토크 센서 시스템을 도시한다.
도 10b는 본 개시의 하나 이상의 실시예들에 따른, 다른 예시적인 유도 토크 센서 시스템을 도시한다.
도 11a 및 도 11b는 본 개시의 하나 이상의 실시예들에 따른, 예시적인 유도 토크 센서 시스템 회로부의 블록도를 도시한다.
도 12a 내지 도 12d는 본 개시의 하나 이상의 실시예들에 따른, 비틀림 각도를 계산하는데 사용되는 측정결과들을 예시한다.
도 13은 본 개시의 하나 이상의 실시예들에 따른, 비틀림 각도를 계산하기 위한 예시적인 룩업 테이블(lookup table)(LUT) 콘텐츠를 도시한다.
본 개시의 예시적인 양태들은 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 엘리먼트가 처음 나타나는 도면들이 대응하는 참조 번호에서의 가장 왼쪽 숫자(들)에 의해 통상적으로 표시된다.
다음의 설명에서, 수치적인 특정 세부사항들이 본 개시의 양태들의 완전한 이해를 제공하기 위해 언급된다. 그러나, 본 개시는 구조들, 시스템들, 및 방법들을 포함하는 양태들이 이들 특정 세부사항들 없이 실용화될 수 있다는 것을 본 기술분야의 통상의 기술자들에게는 명백할 것이다. 본 명세서에서의 설명 및 표현들은 본 기술분야의 경험 있는 또는 통상의 기술자들에 의해 그들 작업의 실체를 본 기술분야의 다른 통상의 기술자들에게 가장 효과적으로 전달하는데 사용되는 일반적인 수단이다. 다른 경우들에서, 널리 공지된 방법들, 절차들, 컴포넌트들, 및 회로가 본 개시의 양태들을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해 상세히 설명되고 있지 않다.
k중 대칭의 개념에 대한 소개
본 개시에서 논의되는 실시예들은 종종 회전 대칭의 개념을 참조한다. 그러므로, 이 개념의 간략한 소개가 다양한 실시예들의 추가적인 세부사항들을 아래에서 더 설명하기 전에 보증된다. 회전 대칭은 형상의 중심 또는 공통 축 주위의 부분적 회전에 의한 얼마간의 회전 후에 해당 형상이 동일하게 보일 때 존재하는 것이라 말해지는 성질이다. 다르게 말하면, 물체의 회전 대칭도(degree of rotational symmetry)는 각각의 회전에 대해 정확히 동일하게 보이는 고유한 배향들의 수이다. 형상이 (2차원에서) 축 주위를
Figure pat00001
만큼 회전될 수 있고 n이 형상이 동일한 것으로 보이도록 하는 임의의 정수이면, 그 형상은 k중 대칭, 또는 주기수(periodicity) k를 갖는 것으로 말해진다. 예를 들어, 정오각형 기하 형상은 5의 k중 대칭 또는 주기수를 갖는데, 72도만큼의 정오각형의 각각의 회전이 동일한 관점에서 보았을 때 정오각형을 변경하지 않기 때문이다.
무정위 ( astatic ) 코일들의 개념에 대한 소개
본 개시에서 논의되는 실시예들은 또한 무정위 코일들의 사용을 포함한다. 따라서, "무정위"라는 용어의 도입은 실시예들의 동작에 관한 추가의 세부사항들을 제공하기 전에 또한 신중하다. 제한으로서는 아니고 일 예로서 2차원인 것으로 본 개시에서 설명되는 권선 코일이, 해당 코일에 유도 커플링되는 균질한 자속에서의 변화들에 대해 유도되는 전압이 없으면 "무정위"인 것으로 말해진다. 다르게 말하면, 예시적인 무정위 코일(B)에 유도적으로 커플링되는 예시적인 코일(A)에 의해 제공되는 균질 자기장이 있는 데서, 코일 A에 의해 제공된 균질 장에서의 변화들에 응답하여 코일 B에서 기전력이 유도되지 않는다. 그러나, 일반적으로 코일 A가 비균질 자속을 제공하고 그 뒤에 변경되면, 전압이 코일 B에서 일반적으로 유도될 것이다.
유도 각도 센서 시스템들
도 1은 종래의 유도 각도 센서 아키텍처의 일 예를 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 고정자 부분은 세 개의 코일들, 즉 여기 코일(102)("전달체", "전력", 또는 "구동" 코일이라고 또한 지칭됨)과, 전체 픽업 코일 시스템의 일부를 형성하는 두 개의 수신 코일들(104, 106)("픽업" 코일들이라고 또한 지칭됨)을 포함한다. 회전자 부분은, 고정자 부분에 대해 자유롭게 회전하는 것으로서, 도전성 재료(예컨대, 알루미늄)로 만들어지고 이 예에서 3중 대칭 또는 주기수를 갖는다.
회전자(101)의 회전 위치(즉, 각도)를 결정하기 위해, 여기 코일(102)에는 수 메가헤르츠(예컨대, 4 MHz) 정도의 주파수에서 1 V 정도의 정현파 전압이 일반적으로 공급된다. 이는 타겟(도전성 회전자(101)) 상에 AC 자기장(일차 자기장)을 생성하며, 이는 결국 와전류들(eddy currents)이 회전자(101)에서 흐르게 한다. 이들 와전류들은 수신 코일들(104, 106)에 유도적으로 커플링되는 다른 자기장(이차 자기장)의 생성을 초래하여, 수신 코일들(104, 106)의 각각에서 유도 전압을 유발한다. 이들 유도 전압들은 도 1에 도시된 바와 같은 연결 지점들을 통해 측정될 수 있고, 진폭 변조된 신호들이다. 다시 말하면, 수신 코일들(104, 106)의 각각에서 유도된 전압들은 구동 정현파 전압의 캐리어 주파수(예컨대, 4 MHz)를 갖지만, 그것들의 진폭은 회전자(101)의 회전 위치에 의존한다.
수신 코일들(104, 106)의 연결 단자들에서 제공되는 유도된 신호들의 포락선들은 그러면 위상 동기 복조기로 추출될 수 있고, 회전자(101)의 회전 위치에 관련될 수 있다. 포락선들의 일 예가, 회전하는 회전자(101)의 각도의 함수로서 수신 코일들(104, 106)의 각각 상의 유도 전압들의 변화를 나타내는 것으로서, 도 2에서 도시된다. 다르게 말하면, 도 2에 도시된 바와 같은 전압 신호들(U1, U2)은 캐리어 주파수로부터의 복조 후의 신호들을 나타내며, 그래서 전압들(U1, U2)은 수신 코일들(104, 106)에서 유도되는 진폭 변조된 전압의 포락선들이다. 회전자(101)의 회전 위치를 결정하기 위해, 적어도 두 개의 수신 코일들이 요구된다. 그러면 회전 위치는 코일들의 서로에 대한 상대 위치들에 따라 위상 변이(phase shift)되는 양 포락선들로부터 arctan 함수를 통해 컴퓨팅될 수 있다. 두 개의 수신 코일들(104, 106)로부터 위상 정보를 추출한 결과는 도 3에 도시된 바와 같이 회전자(101)의 각도의 함수로서 위상 각도를 제공한다.
수신 코일들(104, 106)(각각 U1 및 U2로서 본 개시에서 또한 지칭됨)은 각각이 이 예에서 3중 대칭 또는 주기수를 갖는 회전자(101)에 매칭된다. 수신 코일들(104, 106)은 각각이 모든 다른 루프가 상이한 방향으로 감기는 다수의 권선들을 포함할 수 있다. 수신 코일(104)을 일 예로서 사용하면, 수신 코일(104)은 각각이 60도에 걸쳐 있는 총 여섯 개의 간극(interspaced) 권선들을 포함한다. 따라서, 각 개개의 권선은 인접한 권선과는 반대인 방향으로 전류 흐름을 유도할 수 있다. 수신 코일들(104, 106) 중 하나의 수신 코일의 아키텍처의 일 예가 도 4a에서 더 상세히 도시되며, 이 도면에서 각각의 인접한 권선의 방향은 수반되는 화살표들에 의해 보여진다. 다른 수신 코일(106)은 수신 코일(104)과 유사한 방식으로 구성된다. 수신 코일들(104, 106)의 이 배향은 균질한 외부 교란들과 여기 코일로부터의 대칭 교란들을 상쇄시킨다. 따라서, 수신 코일들(104, 106)은 그것들이 균일한 자기장들을 상쇄시킬 수 있기 때문에 무정위 코일들로서 기능을 한다. 수신 코일들(104, 106)이 각각 여섯 개의 권선들을 가지지만, 각각의 코일의 k중 주기수는 수신 코일들(104, 106)의 무정위 성질 때문에 실제로 k=3이라는 것에 주의한다. 다시 말하면, 수신 코일들(104, 106)의 각각은 동일한 관점에서 코일이 동일한 것을 보장하기 위해 120도 회전될 필요가 있을 것인데, 60도의 회전이 수신 코일들(104, 106)에게 반대 방향의 권선을 제공할 것이기 때문이다.
수신 코일들(104, 106)은 따라서 수신 코일 당 하나의 위상을 갖는 2상 픽업 코일 시스템을 형성한다. 수신 코일들(104, 106) 원주 방향에서 서로로부터 오프셋되어서 수신 코일들은 회전 대칭의 주기수에 비례하는 수량만큼 서로에 대해 회전된다. 더 구체적으로는, 수신 코일들은 서로에 대해
Figure pat00002
만큼 회전되며, 여기서 N은 수신 코일들의 수이고 k는 k중 대칭이다. 도 4b에 도시된 예에서, 코일들은 회전 대칭의 주기수의 1/4, 또는 30도만큼 서로에 대해 회전된다. 이는 제각각의 수신 코일(104, 106)의 유도된 신호들이 서로로부터 90도만큼 위상 변이되는 결과를 초래한다. 이 관계의 결과로서, 수신 코일(104)은 코사인 코일이라 지칭될 수 있고, 수신 코일(106)은 사인 코일이라 지칭될 수 있다.
도 1에 도시된 2상 수신 코일에 연관되는 다양한 신호들의 일 예는, 두 개의 수신 코일들(104, 106)을 포함하는 것으로, 도 5에 도시되어 있다. 도 5의 그래프는 0 내지 18 ㎲의 x-축 상의 시간을 나타내었다. 회전자(101)의 전류는 도시되고 여기 코일(102)을 통한 여기의 결과로서 유도된 와전류를 나타낸다. 회전자(101)에 연관되는 전류 신호는 여기 코일(102)에 의해 사용되는 발진 신호와는 동일한 주파수(이 예에서 1 MHz)에서 발진하고 일정한 진폭 및 제로 평균을 갖는다. 회전자(101)는 (선도에서의 신호들의 가시성을 위해) 6*10^5 rpm의 초고속인 360°/100㎲의 속력으로 회전되도록 가정된다. 신호들(amU1 및 amU2)은 두 개의 각각의 수신 코일들(104, 106)에서 유도되는 전압들의 진폭에 대응하며, 이들은 다시 동일하고 (회전자(101)처럼) 3중 대칭을 갖지만, 서로에 대해 30도만큼 회전된다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 수신 코일들(104, 106)의 진폭 신호들은 전기 각도 도메인(electrical angular domain)에서의 이 위치에서 서로로부터 90°만큼 위상 변이된다. 그 결과로서, 이들 신호들(amU1 및 amU2)은 신호들(U1 및 U2)이 동일한 부호를 가질 때에만 동위상(in phase)이고 ― 그렇지 않으면 그 신호들은 180° 이위상(out of phase)이다. 신호들(amU1 및 amU2)은 또한 (패러데이 유도 법칙에 따라) 회전자(101)에서의 전류에 대해 90°만큼 변이되고 진폭 변조되지만 제로 평균을 갖는다. 따라서 회로(예컨대, 위상 코히어런트 복조기)가 신호들(amU1 및 amU2)로부터 진폭 정보를 복조하여 포락선들의 '상부' 부분들을 제공할 수 있으며, 이들 상부 부분들은, 도시된 바와 같이, 각각 신호들(U1 및 U2)을 산출한다. 신호들(U1, U2)이 소멸(vanishing) 평균 값을 가지기 때문에, 센서 회로는 이들 신호들이 이미 무정위이고 따라서 표유 장에 강건하므로 그들 신호들을 감산할 필요가 없다.
도 1에 도시된 예시적인 유도 각도 센서 시스템은 총 두 개의 수신 코일들(104 및 106)을 사용하고, 따라서 수신 코일들(104, 106) 사이의 회전 오프셋에 관련되는 서로로부터의 위상 오프셋을 갖는 각각의 유도 전압 신호들을 제공하는 코사인 코일 및 사인 코일을 갖는 2상 시스템을 구성한다. 그러나, 종래의 유도 각도 센서들은, 예를 들어, 세 개의 수신 코일들과 같은 두 개를 초과하는 수신 코일들을 포함하는 픽업 코일들을 사용할 수 있다. 이러한 경우, 픽업 코일 시스템은 3상 신호 시스템을 제공할 수 있고 세 개의 수신 코일들은, 위에서 논의된 2상 시스템의 사인 및 코사인 코일들 대신에, U, V, 및 W 코일들이라고 지칭될 수 있다.
3상 시스템의 경우(또는 더 일반적으로, 픽업 코일 시스템 내의 픽업 코일들의 수가 3 이상의 홀수일 때), 각각의 수신 코일은 무정위일 필요가 없다. 회로가 세 개의 수신 코일들의 상이한 쌍들, 이를테면 (U-V), (V-W), 및 (W-U)로부터 유도되는 신호들 사이의 차이를 도출할 수 있다. 종래에, 세 개의 수신 코일들의 각각은 형상이 동일하지만 서로에 대해
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만큼 회전되며, 여기서 N은 수신 코일들의 수이고 k는 수신 코일의 k중 대칭이다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같은 회전자(101)가 (도시된 바와 같은 k=3 대신) k=6의 k중 대칭을 가지면, 수신 코일들(602(U), 604(V), 및 606(W))의 각각은, 도 6에 도시된 바와 같이, 회전자(101)의 주기수와 일치하는 주기수(즉, 도 6에 도시된 U, V, W 코일들이 무정위가 아니기 때문에 k=6)를 또한 가질 수 있다. 이 예를 계속하면, 수신 코일들(602, 604, 606)의 각각은 서로에 대해
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, 또는 20°만큼 회전된다. 구체적으로는, 제2 수신 코일(604)은 제1 수신 코일(602)에 대해 360°/18 = 20°만큼 회전되고, 제3 수신 코일(606)은 제2 수신 코일(604)에 대해 20°만큼 또한 회전된다. 따라서, 이 3상 시스템의 경우, 회전자(101)가 일정한 속력으로 회전될 때, 코일들(602, 604, 606)에서의 신호들은 360°/3 = 120°의 위상 변이를 갖는 정현파이다. 회전자가 360°(기계적 각도)만큼 회전할 때, 신호들의 포락선은 회전자(101)의 k중 대칭에 연관되는 주기 수를 보여주며, 이 주기 수는 이 예에서 3이다. 따라서, 서로로부터 120° 위상 변이를 갖는 두 개의 이러한 신호들의 비율의 arctan를 계산하면, 그 결과는 k*360°(k는 회전자(101)의 주기수)만큼 가변할 것이며, 이는 1080°(전기 각도)를 제공한다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이 그리고 2상 시스템에 대한 도 5에서의 계산과 유사하게, 회전자(101)의 회전 위치는 세 개의 포락선들 중 각각의 포락선으로부터 arctan 함수를 통해 컴퓨팅될 수 있다. 예를 들면, 두 개의 중간 신호들(S1, S2)은 S1 = sqrt(3)*(U-V)와, S2 = U+V-(2W)를 사용하여 계산될 수 있다. 그러면 회전자(101)의 회전 위치는 arctan2(S1; S2)/6의 계산을 통해 컴퓨팅될 수 있다.
도 6에 도시된 것과 같은 3상 수신 코일에 연관되는 다양한 신호들의 일 예는, 도 7에 도시된 바와 같이, 세 개의 수신 코일들(602, 604, 606)을 포함한다. 도 7의 그래프는, 2상 시스템을 위한 도 5에 도시된 그래프와 유사하게, 0 내지 18 ㎲의 x-축 상의 시간을 나타낸다. 도 7을 계속 참조하면, 회전자(101)에서의 전류는 다시 한번 회전자(101)에서의 와전류이며, 이는 여기 코일(도시되지 않음)에 의해 여기된다. 1 MHz의 발진 신호를 가정하면, 회전자(101)에서의 전류는 일정한 진폭과 제로 평균을 갖는다. 다시, 회전자(101)는 동일한 속력이 도 5에 도시된 2상 시스템을 참조하여 위에서 논의된 바와 같은 360°/100㎲의 속력으로 회전하도록 가정된다. 신호들(amU, amV, amW)은 세 개의 수신 코일들(602(U), 604(V), 및 606(W))에서 유도되는 전압들이며, 이는 6중 대칭을 갖는 동일한 것이다. 신호들(U, V, W)은 각각 유도된 신호들(amU, amV, amW)의 진폭 복조에 의해 획득된다. 도시된 바와 같은 그리고 도 6을 참조하여 위에서 논의된 바와 같은 수신 코일들(602, 604, 및 606) 사이의 20°의 회전 오프셋으로 인해, 신호들(U, V, W)은 각도 도메인에서 120° 위상 변이된다(전기 각도는 기계적 각도의 6배임).
전압 신호들(amU, amV, 및 amW)은 모두 동위상이지만, (패러데이 유도 법칙에 따라) 회전자(101)에서의 전류에 대해 90°만큼 변이된다. 전압들(amU, amV, amW)은 진폭 변조되고 따라서 진폭이 회전자(101)의 회전 위치에 따라 변하는 캐리어 주파수를 갖는다. 적합한 회로가 진폭 정보를 복조하며, 이는 포락선들(의 상부인 양의 부분들), 즉, 도시된 바와 같은 신호들(U, V, 및 W)을 제공한다. 신호들(U, V, 및 W)은 비소멸 평균 값을 갖는다. 이 때문에, 신호들(U, V, 및 W)은 동기 복조와 비교하여 덜 힘든 프로세스인 비동기 복조를 통해 획득될 수 있다. 더구나, 신호들(U, V, 및 W)의 각각은 동일한 평균 값을 갖는다. 수반하는 센서 회로가 U-V, V-W, 및 W-U를 감산하는 것에 의해, 이 평균을 상쇄시켜서, 회전 각도에 대한 U, V, 및 W의 정현파 변동만이 남는다. 신호들(amU, amV, amW)은 표유 장 강건적이지 않다(즉, 무정위가 아니다). 이는 주변 자속 변화들이 amU, amV, amW에서 전압들을 또한 유도할 것임을 의미한다. 그러나, 수신 코일들(602, 604, 606)이 동일하고 서로에 대해서만 회전되기 때문에, 균질한 교란들은 수신 코일들의 각각에서 동일하고 감산 U-V, V-W, W-U에 의해 상쇄된다. 다음 두 개의 옵션들, 즉, 센서 시스템이 amU, amV, amW를 먼저 복조한 다음 U-V, V-W, W-U 감산을 할 수 있는 것; 또는 먼저 amU-amV, amV-amW, amW-amU 감산을 하고 이들 차이들을 복조할 수 있다는 것에 주의한다. 도 7에 도시된 바와 같은 그래프에서, 제1 절차는 설명의 편의를 위해 도시되지만, 실제로는 제2 절차도 구현될 수 있다.
실시예들에 따른 유도 각도 센서 시스템
도 8은 본 개시의 하나 이상의 실시예들에 따라 사용되는 유도 각도 센서 시스템의 일 예를 도시한다. 도 8에 도시된 유도 각도 센서 시스템(800)은 도 9에 도시된 바와 같은 유도 각도 센서 회로부(900)와 연계하여 사용될 수 있다. 전체 시스템은 유도 토크 센서를 제공하기 위해, 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 본 개시에서 설명되는 실시예들에 따라 추가로 채택될 수 있다. 유도 각도 센서 시스템(800)은 다양한 방식들로 위에서 논의된 것들과는 상이하다. 예를 들면, 유도 각도 센서 시스템(800)은, 각각의 픽업 코일 시스템이 둘 이상의 픽업 코일들을 포함하고 대응하는 타겟 코일들과 연계하여 독립적으로 동작하는, 개별 픽업 코일 시스템들을 사용한다. 유도 각도 센서 시스템(800)은 또한 에어 갭을 통해 여자기(exciter) 코일에 유도적으로 커플링되는 별도의 수신기 코일을 사용한다. 수신기 코일은 타겟 코일들에 커플링되어 유도 전류를 타겟 코일들 안으로 제공하며, 이는 각각의 타겟 코일과 각각의 픽업 코일 쌍 사이의 각도에 대해 가변하는 전압 신호를 각각의 해당 픽업 코일이 수신하고 출력하게 한다. 더구나, 유도 각도 센서 시스템(800)은 거대한 금속 회전자들의 사용 대신 타겟 코일들로서 회전 샤프트 또는 다른 컴포넌트에 커플링되는 코일 권선들을 이용할 수 있지만, 이러한 컴포넌트들은 이러한 시스템에 따라 여전히 기능을 할 수 있다.
예를 들면, 도 8에 도시된 바와 같이, 유도 각도 센서 시스템(800)은 제각각의 유도 커플링된 픽업 코일 시스템에 대한 타겟 코일들 중 각각의 타겟 코일의 각도를 계산함으로써 회전자 컴포넌트의 기계적 회전 각도를 독립적으로 그리고 개별적으로 결정한다. 이렇게 하기 위해, 유도 각도 센서 시스템(800)은 회전자 측과 고정자 측을 포함한다. 회전자 측은, 도시된 바와 같이 회전 축을 중심으로 회전하고 타겟 코일들(810, 812) 및 수신기 코일(808)에 커플링되는 회전가능 컴포넌트(예컨대, 회전가능 샤프트)를 포함한다. 회전자 부분은 따라서 세 개의 코일들, 즉, 이차 전력 코일 또는 수신기 코일(808), 무정위이고 k1중 대칭 또는 주기수(이 예에서 k1=2)의 타겟 코일(810), 및 또한 무정위이고 상이한 k2중 대칭 또는 주기수(이 예에서 k2=3)를 갖는 타겟 코일(812)을 포함한다.
고정자 부분은 적어도 다섯 개 코일들을 포함하며, 간결함을 위해 세 개가 도 8에 도시되어 있다. 이것들은 여자기 코일 또는 일차 전력 코일(806), 제1 픽업 코일 시스템(802)(이는 두 개의 무정위 및 회전 오프셋 코일들을 포함하며, 하나가 도시되어 있음), 및 제2 픽업 코일 시스템(804)(이는 또한 두 개의 무정위 및 회전 오프셋 코일들을 포함하며, 하나가 도시되어 있음)을 포함한다. 픽업 코일 시스템(802)에서 무정위 픽업 코일들의 각각은 서로 및 타겟 코일(810)과 동일한 k1중 대칭을 가질 수 있으며, 이 예에서 k1=2이다. 픽업 코일 시스템(802)의 일부를 형성하는 도 8에 도시되지 않은 제2 코일은, 도시된 코일과 동일할 수 있지만, 회전 축 주위를 360°/k1/4, 또는 이 예에서 45도만큼 회전될 수 있다. 비슷하게, 픽업 코일 시스템(804)의 일부를 형성하는 도 8에 도시되지 않은 제2 코일은, 도시된 코일과 동일할 수 있지만, 회전 축 주위를 360°/k2/4, 또는 이 예에서 30도만큼 회전될 수 있다. 따라서, 픽업 코일 시스템들(802, 804)의 각각은, 본 개시에서 논의되는 바와 같이, 2상 시스템의 일부를 형성하는 사인 및 코사인 코일들의 세트를 포함할 수 있다.
발진기가 임의의 적합한 진폭 및 주파수를 갖는 AC 신호로 여자기 코일(806)에 전력을 공급한다. 이는 회전자에 커플링되는 수신기 코일(808) 안으로 (여자기 코일(806)과 수신기 코일(808) 사이의 유도 결합의 결과로서 자기장을 통해) 전기 에너지를 커플링시킨다. 그러나, 여자기 코일(806)은 타겟 코일들(810, 812)에 커플링되지 않는데, 왜냐하면 타겟 코일들(810, 812)이 무정위 코일들이기 때문이다. 다시 말하면, 타겟 코일들(810, 812)의 각각은, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 위에서 논의된 바와 같이, 반대 방향들로 인접한 권선들을 가질 수 있다. 다르게 말하면, 여자기 코일(806)과 타겟 코일들(810, 812)의 각각 사이의 상호 인덕턴스는 영이다. 여자기 코일(806)과 수신기 코일(808)은 따라서 철 코어를 갖지 않는 변압기로서 기능을 한다 ― 그 코일들 둘 다는 에어를 통해서만 커플링된다. 바람직하게는, 여자기 코일(806)을 통해 전달되는 전력은 회전 위치에 독립적이고, 그러므로 여자기 코일(806)과 수신기 코일(808)은 회전 대칭 원들 또는 나선들이어야 한다. 두 개의 타겟 코일들(810, 812)은 수신기 코일(808)에 도전적으로 커플링된다. 이는 통상적으로는 타겟 코일들(810, 812)을 수신기 코일(808)을 가로질러 직렬로 연결함으로써 구현된다. 옵션적으로, 효율을 개선하기 위해 수신기 코일(808)과 타겟 코일들(810, 812) 사이에 회로가 커플링될 수 있다. 이는, 예를 들면, 직렬 공진 회로가 "변압기"의 "이차" 측 상의 임피던스를 줄이게 하는 직렬 커패시터를 포함할 수 있다.
이 구성의 결과로서, 강한 유도 전류가 타겟 코일들(810, 812)을 통해 흐른다. 양 타겟 코일들이 무정위이고 k1이 k2와 상이하기 때문에, 그것들의 상호 인덕턴스는 소멸한다. 다시 말하면, 양 타겟 코일들(810, 812) 사이의 상호 인덕턴스는 어느 하나의 타겟 코일(810, 812)의 자체 인덕턴스보다 상당히 작은 크기(예컨대, 1/10 이하의 크기)를 갖는다. 그러므로, 타겟 코일들(810, 812) 사이에 자기적 상호작용이 없다. 타겟 코일들(810, 812) 사이의 감소된 자기적 상호작용은 이 방식에서 유리한데, 그렇지 않으면 시스템의 전력 효율을 감소시킬 것이기 때문이다. 타겟 코일들(810, 812)은 따라서 각각 k1중 대칭 및 k2중 대칭의 ac-자기장 패턴들을 생성하여, 회전자와는 동기적으로 회전한다.
다시, 고정자 부분은, 각각의 픽업 코일 시스템이 두 개의 회전 오프셋 사인 및 코사인 코일들을 포함하는, 독립적인 두 개의 픽업 코일 시스템들(802, 804)을 포함한다. 픽업 코일 시스템(802)은 k1중 대칭의 ac-자기장 패턴들을 검출하는 반면, 픽업 코일 시스템(804)은 k2중 대칭의 ac-자기장 패턴들을 검출한다. k1 및 k2가 공약수(common divisor)가 없기 때문에, 크로스토크는 없다. 이는 k1중 대칭을 갖는 픽업 코일 시스템(802)이 k2중 대칭을 갖는 타겟 코일(812)에 의해 생성된 자기장 패턴에 응답하지 않고 k2중 대칭을 갖는 픽업 코일 시스템(804)이 k1중 대칭을 갖는 타겟 코일(810)의 자기장 패턴에 응답하지 않는다는 것을 의미한다. 그러므로, 픽업 코일 시스템(802)은 타겟 코일(812)과는 독립적으로 타겟 코일(810)의 회전 위치를 추출할 수 있고, 픽업 코일 시스템(804)은 타겟 코일(810)과는 독립적으로 타겟 코일(812)의 회전 위치를 추출할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같은 유도 각도 센서 시스템(800)은 유도 각도 센서 회로부(900)의 일부로서 도 9에서 나타내어지며, 이는 타겟 코일들(810, 812) 중 각각의 타겟 코일의 회전 위치와, 결국, 회전자에 각각 커플링되고 회전자가 또한 회전함에 따라 동기적으로 회전하는 타겟 코일들(810, 812)에 대한 회전자의 각도를 계산하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 유도 각도 센서 회로부(900)는, 위에서 언급된 바와 같이, 효율을 개선하기 위해 수신기 코일(808)과 타겟 코일들(810, 812) 사이에 커플링되는 회로부(예컨대, 직렬 커패시터)를 나타낼 수 있는 회로(902)를 포함한다. 더구나, 유도 각도 센서 회로부(900)는 픽업 코일 검출 회로(904)를 포함하며, 픽업 코일 검출 회로는 제각각의 픽업 코일 시스템(802, 804)을 구성하는 사인 및 코사인 코일들의 각각에 커플링된다.
픽업 코일 검출 회로(904)는 위에서 논의된 바와 같이, 제각각의 커플링된 타겟 코일(810, 812)을 통해 유도되는 픽업 코일 시스템들(802 및 804)로부터 수신되는 신호들의 포락선들을 복원하기 위해 임의의 적합한 유형의 회로부(예컨대, 위상 동기 복조기들, 위상 코히어런트 복조기들, 진폭 복조기들 등)를 포함할 수 있다. 픽업 코일 검출 회로(904)는 k1 픽업 코일 시스템(802)에 의해 제공되는 신호들을 기반으로 타겟 코일(810)의 회전 위치를 나타내는 각도(phi1')를 컴퓨팅하도록 구성되는 하나 이상의 프로세서들 또는 다른 적합한 하드웨어를 또한 포함할 수 있다. 픽업 코일 검출 회로(904)는 k2 픽업 시스템(804)에 의해 제공되는 신호들을 기반으로 타겟 코일(812)의 회전 위치를 나타내는 각도(phi2')를 또한 컴퓨팅할 수 있다. 타겟 코일들(810, 812)이 커플링되는 회전자의 회전 위치는 phimech'으로서 표현된다.
양호한 근사는 다음을 유지한다:
수학식 1: phi1' = mod(k1*phimech; 360°); 및
수학식 2: phi2' = mod(k2*phimech; 360°).
따라서, 노니우스(nonius) 원리들(버니어 원리)에 따라 두 개의 각도들(phi1', phi2')을 비교함으로써 픽업 코일 검출 회로(904)는 타겟 코일들(810, 812)이 0° 내지 360°의 전체 범위로 커플링되는 회전자의 고유 각도(phimech)를 도출할 수 있다.
유도 토크 센서 시스템들
본 개시의 하나 이상의 실시예들에 따른 예시적인 유도 토크 센서 시스템들은 도 10a 및 도 10b에서 도시되고, 이들 예시적인 유도 토크 센서 시스템들에 연관되는 컴퓨테이션 기능 및 수반하는 회로부가 도 11a 및 도 11b에 관해 더 논의된다. 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같은 두 개의 유도 토크 센서 시스템들은 여러 동일한 또는 공통 컴포넌트들을 포함하고, 따라서 그것들 사이의 차이들만이 간결함을 위해 여기에서 논의된다. 이들 차이들은 제한이 아니라 예시이고, 본 개시에서 설명되는 실시예들은 추가적인, 대안적인, 또는 더 적은 컴포넌트들을 사용하여 추가로 수정된 예시적인 유도 토크 센서 시스템들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 도 10a에 도시된 바와 같은 유도 토크 센서 시스템(1000)은 임의의 적합한 각도 회전 범위(예컨대, 360도)에 따라 회전가능 입력 샤프트(1002)가 회전하게 하는 임의의 적합한 유형의 기계적 컴포넌트(즉, 액추에이터)에 커플링될 수 있는 회전가능 입력 샤프트(1002)를 포함한다. 회전가능 출력 샤프트는 결국 회전가능 입력 샤프트(1002)가 공통 회전 축을 중심으로 회전할 때 특정한 조건들 하에서 측정가능 토크가 전달될 수 있는 임의의 적합한 유형의 부하에 커플링될 수 있다. 회전가능 입력 샤프트(1002)는 도시된 바와 같은 압입 끼워맞춤(press fit)을 통해 회전가능 출력 샤프트(1004)에 커플링되지만, 임의의 다른 적합한 유형의 끼워맞춤 또는 커플링이 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같은 유도 토크 센서 시스템들(1000, 1050)은 회전가능 입력 샤프트(1002)의 회전가능 출력 샤프트(1004)와의 끼워맞춤으로 형성되는 비틀림 엘리먼트(1003)를 포함한다. 그러나, 이는 하나의 예이고 다른 구현예들이 본 개시에서 논의되는 바와 같은 실시예들에 따라 가능하다. 예를 들면, 비틀림 엘리먼트(1003)는 두 개의 톱니 바퀴들로부터 형성될 수 있으며, 톱니 바퀴들은 그들의 각각의 샤프트들 상에 가요성 고무 또는 스프링들을 통해 장착된다. 이 기어는 따라서 회전가능 입력 샤프트(1002) 사이의 토크의 회전가능 출력 샤프트(1004)로의 전달을 나타내기 위한 비틀림 엘리먼트로서 기능을 할 수 있다.
회전가능 입력 샤프트(1002)와 회전가능 출력 샤프트(1004) 사이의 커플링은 비틀림 엘리먼트(1003)를 형성한다. 회전가능 입력 샤프트(1002)와 회전가능 출력 샤프트(1004)는 서로 동축이며, 즉, 각각은 도 10a에 도시된 바와 같이 동심적이고 공통 회전 축을 공유한다. 회전가능 입력 샤프트(1002)와 회전가능 출력 샤프트(1004)는 회전가능 출력 샤프트(1004)가 커플링되는 부하(도시되지 않음)에 대한 회전가능 입력 샤프트(1002)의 회전에 응답하여 토크가 전달될 때 서로 간에 비틀림 각도를 형성한다. 이 비틀림 각도는 "delta" 각도라고 본 개시에서 지칭되고, 회전가능 입력 샤프트(1002)의 전체 각도 회전 범위 미만의 임의의 적합한 범위의 값들로 설정될 수 있다. 예를 들면, 회전가능 입력 샤프트(1002)와 회전가능 출력 샤프트(1004)는 토크가 전달되지 않는 동안 회전가능 입력 샤프트(1002) 및 회전가능 출력 샤프트(1004)의 정지 위치에 대하여 ± 10도, ± 5도, ± 3도 등의 비틀림 각도를 형성할 수 있다.
도 10a를 계속 참조하면, 유도 토크 센서 시스템(1000)은 고정자 부분과 회전자 부분을 포함한다. 고정자 부분은, PCB(PCB1) 또는 다른 적합한 기판을 포함하며, 그 기판 상에는 임의의 적합한 수의 층들을 갖는 다양한 도전성 경로들(예컨대, 트레이스들, 본딩 와이어들 등)이 배치될 수 있고, 그 기판은 회전가능 출력 샤프트(1004)가 통과하여 연장되는 방사상 틈새를 제공하는 적절한 컷아웃을 포함할 수 있다. 기판 상의 도전성 경로들은 픽업 코일 시스템들(1008, 1010)의 각각에서의 픽업 코일들, 뿐만 아니라 송신 코일, 여자기 코일, 또는 여기 코일로서 본 개시에서 다르게 지칭될 수 있는 일차 전력 코일(1006)을 형성하도록 배열될 수 있다. 고정자 부분(예컨대, 일차 전력 코일(1006) 및 픽업 코일 시스템들(1008, 1010))에 포함되는 코일들의 각각은 또한 공통 회전 축을 중심으로 동축으로 배치된다.
일차 전력 코일(1006)은 임의의 적합한 구성 및/또는 권선 수의 임의의 적합한 수의 도전성 경로들을 포함할 수 있지만, 회전 대칭 원들 또는 나선들은 도 8을 참조하여 위에서 논의된 바와 같이 바람직하다. 픽업 코일 시스템들(1008, 1010)은 각각이 임의의 적합한 k중 대칭의 임의의 적합한 수의 회전 오프셋 픽업 코일들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 픽업 코일 시스템(1008)은 위에서 논의된 바와 같은 유도된 또는 "픽업된" 신호들의 적절한 위상 오프셋을 보장하기 위해 각각이 k1의 임의의 적합한 k중 주기수를 갖고 픽업 코일 시스템(1008)에서 이 주기수 및 코일들의 총 수에 따라 서로에 대해 회전되는 둘 이상의 픽업 코일들을 포함할 수 있다.
예를 들어, 픽업 코일 시스템(1008)에 포함되는 픽업 코일들 중 각각의 픽업 코일은 픽업 코일 시스템(1008)에서의 짝수 N의 코일들에 대한 함수
Figure pat00005
에 따라 그리고 픽업 코일 시스템(1008)에서의 홀수 N의 코일들에 대한 함수
Figure pat00006
에 따라 원주 방향에서 서로로부터 회전 오프셋될 수 있으며, k1은 각각의 경우에서 주기수를 나타낸다. 픽업 코일 시스템(1010)은 각각이 k2의 임의의 적합한 k중 주기수를 갖고 픽업 코일 시스템(1010)에서 이 주기수 및 코일들의 총 수에 따라 서로에 대해 회전되는 둘 이상의 픽업 코일들을 비슷하게 포함할 수 있다. 일 실시예에서, k1의 k중 주기수와 k2의 k중 주기수는, 도 8을 참조하여 위에서 논의된 바와 같이, 인접한 픽업 코일 시스템들(1008, 1010) 사이의 크로스토크를 제거하기 위해 서로 상이하다. 본 개시에서 설명되는 회전 오프셋들의 사용은 제한이 아니라 예로서 제공된다. 픽업 코일 시스템들(1008, 1010)은 본 개시에서 논의되는 바와 같은 예시적인 코일 권선들과는 상이하거나 또는 그러한 코일 권선들보다 더 정교한 구성을 갖는 둘 이상의 코일들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 픽업 코일 시스템들(1008, 1010) 중의 하나 이상의 것들의 픽업 코일들은 경우에 따라,
Figure pat00007
또는
Figure pat00008
보다 작거나 또는 클 수 있는 수량만큼 특정한 턴들(turns)이 서로에 대해 회전되어서 회전 축 주위에 여러 턴들을 포함할 수 있다. 픽업 코일들 간의 이러한 회전 오프셋 편차들은 시스템적 각도 에러를 감소시킬 수 있다.
픽업 코일 시스템들(1008, 1010)은 임의의 적합한 수의 개개의 픽업 코일들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 픽업 코일 시스템들(1008, 1010)은 각각 두 개의 픽업 코일들을 포함할 수 있으며, 이들 픽업 코일들은 2상 시스템을 형성하기 위해, 예를 들어, 도 4a 및 도 4b에 도시된 것들과 유사하게 반대 방향에서 인접한 권선들을 갖는 배열된 무정위 코일들이다(즉, 그 코일들은 본 개시에서 논의되는 바와 같은 사인 및 코사인 코일을 포함할 수 있다). 다른 예로서, 픽업 코일 시스템들(1008, 1010)은 각각 세 개의 픽업 코일들을 포함할 수 있으며, 그들 픽업 코일들은 무정위 코일들일 필요는 없고, 예를 들어 3상 시스템을 형성하기 위해 도 6에서 도시된 것들과 유사한 방식으로 배열된다(즉, 그 코일들은 본 개시에서 논의되는 바와 같은 U, V, W 코일들을 포함할 수 있다).
2상 및 3상 시스템들의 사용은 제한이 아니라 예이고, 본 개시에서의 실시예들은 임의의 적합한 구성(예컨대, 무정위 또는 비-무정위)을 가질 수 있는 임의의 적합한 수의 코일들을 갖는 픽업 코일들을 사용할 수 있다. 물론, 동일한 기판(PCB1)을 점유하지만, 일차 전력 코일(1006)과 픽업 코일 시스템들(1008, 1010)의 각각에 포함되는 개개의 코일들은 서로 단락되는 것을 피하기 위해 기판의 상이한 층들을 통해 라우팅될 수 있다. 따라서, 사용될 수 있는 픽업 코일들의 수에 대한 실제적인 제한이 없을 수 있다. 여하튼, 실시예들은 일차 전력 코일(1006)과 적합한 연결들 및/또는 단자들을 통해 종단되는 픽업 코일 시스템들(1008, 1010)의 각각에 포함되는 개개의 코일들을 포함하며, 이들 코일들은, 도 11a 및 도 11b를 참조하여 아래에서 더 논의되는 바와 같이, 비틀림 각도가 계산될 수 있도록 각각 추가적인 회로부에 따로따로 커플링된다.
유도 토크 센서 시스템(1000)의 회전자 부분은 회전가능 출력 샤프트(1004)에 커플링되거나 아니면 장착되는 제2 PCB(PCB2) 또는 다른 적합한 기판과, 회전가능 입력 샤프트(1002)에 커플링되거나 아니면 장착되는 제3 PCB (PCB3) 또는 다른 적합한 기판을 포함한다. 제2 PCB(PCB2)는 타겟 코일(1014)과 수신 코일로서 본 개시에서 다르게 지칭될 수 있는 이차 전력 코일(1012)을 형성하도록 배열되는 임의의 적합한 수의 층들을 갖는 다양한 도전성 경로들(예컨대, 트레이스들, 본딩 와이어들 등)을 포함한다. 타겟 코일(1014)은 k1의 k중 대칭을 갖는 임의의 적합한 구성으로 배열되는 무정위 코일로서 권선될 수 있으며, 이는 픽업 코일 시스템(1008)의 코일들의 구성과 일치한다. 이차 전력 코일(1012)은 임의의 적합한 구성 및/또는 권선 수의 임의의 적합한 수의 도전성 경로들을 포함할 수 있지만, 다시 회전 대칭 원들 또는 나선들이 바람직하다. 제3 PCB(PCB3)는 타겟 코일(1016)을 형성하기 위해 임의의 적합한 수의 층들을 갖는 다양한 도전성 경로들(예컨대, 트레이스들, 본딩 와이어들 등)을 포함한다. 타겟 코일(1014)과 유사하게, 타겟 코일(1016)은 k2의 k중 대칭을 갖는 임의의 적합한 구성으로 배열되는 무정위 코일로서 권선될 수 있으며, 이는 타겟 코일(1016)의 구성과는 상이하지만 픽업 코일 시스템(1010)에서의 코일들의 구성과는 일치한다. 회전자 부분에 포함되는 코일들(예컨대, 이차 전력 코일(1012), 존재한다면 삼차 전력 코일, 및 타겟 코일들(1014, 1016)) 각각은 또한 공통 회전 축을 중심으로 동축으로 배치된다. 다시, 타겟 코일들(1014, 1016)이 상이한 k중 대칭 값들을 갖기 때문에, 타겟 코일들(1014, 1016) 사이의 상호 인덕턴스는 어느 하나의 타겟 코일(1014, 1016)의 자체 인덕턴스보다 상당히 작은 크기(예컨대, 1/10 이하의 크기)를 갖는다.
따라서, 타겟 코일(1016)이 회전가능 입력 샤프트(1002)에 커플링되고 타겟 코일(1016)이 회전가능 출력 샤프트(1004)에 커플링되기 때문에, 타겟 코일들(1014, 1016)은 비틀림 각도(delta)를 형성하기 위해 회전가능 입력 샤프트(1002)에서부터 회전가능 출력 샤프트(1004)로 토크가 전달될 때 서로에 대해 회전한다. 비틀림 각도(delta)는 타겟 코일들(1014, 1016)의 회전 위치를 독립적으로 결정함으로써 측정될 수 있다. 일 실시예에서, 타겟 코일들(1014, 1016) 사이의 축방향 간격(axial spacing)은 임의의 적합한 거리일 수 있지만, 이 간격을 상대적으로 작게(예컨대, 0.5 mm 정도로) 유지하는 것이 바람직하다. 하지만 상이한 k중 대칭들의 사용 때문에, 타겟 코일들(1014, 1016)이 서로 독립적으로 기능을 할 수 있고 크로스토크를 피할 수 있으므로 이러한 작은 간격은 문제가 되지 않는다.
따라서, 도 8에 도시된 바와 같은 유도 각도 센서 시스템(800)과 유사하게, 유도 토크 센서 시스템(1000)은 또한 한 세트의 전력 코일들(1006, 1012), 한 세트의 픽업 코일 시스템들(1008, 1010), 및 한 세트의 타겟 코일들(1014, 1016)을 사용하며, 각각의 세트는 공통 회전 축을 공유하고 따라서 공통 회전 축 및 비틀림 엘리먼트(1003)와 동축으로 배치된다. 그러나, 유도 각도 센서 시스템(800)과는 달리, 유도 토크 센서 시스템(1000)은 타겟 코일들이 비틀림 각도(delta)만큼 서로에 대해 회전하는 것을 요구한다. 따라서, 타겟 코일들(1016, 1014)이 각각 회전가능 입력 샤프트(1002) 및 회전가능 출력 샤프트(1004) 상에 장착되기 때문에, 실시예들은 고정자 부분의 PCB1 상의 일차 전력 코일(1006)로부터의 전기 에너지를 개별 기판들 상에 위치되는 타겟 코일들(1014, 1016) 둘 다에 커플링하는 수단의 사용을 포함한다. 이는 다양한 방식들로 행해질 수 있으며, 여러 예들은 아래에서 더 논의된다.
일 실시예에서, 공통 전력 코일이 타겟 코일들(1014, 1016) 둘 다에 전기 에너지를 제공하는데 사용된다. 이 목적을 위한 공통 전력 코일의 사용의 일 예가 도 10a 및 도 10b에서 도시되며, 이 예에서 이차 전력 코일(1012)이 이 목적에 기여한다. 특히, 이차 전력 코일(1012)은 일차 전력 코일(1006)에 고정자 및 회전자 부분들을 분리하는 그것들 사이의 에어 갭을 통해 유도적으로 커플링된다. 일 실시예에서, 이 방식에서의 일차 전력 코일(1006) 및 이차 전력 코일(1012)의 구성은, 일차 전력 코일(1006)의 회전 각도, 이차 전력 코일(1012)의 회전 각도, 및 비틀림 각도(delta)에 대해 일정한 상호 인덕턴스가 그것들 간에 형성되도록 한다.
이차 전력 코일(1012)은 결국 타겟 코일들(810, 812)이 도 8에 도시된 바와 같은 수신기 코일(808)에 커플링될 때와 유사한 방식으로 타겟 코일들(1014, 1016)의 각각에 도전적으로 커플링된다. 따라서, 이차 전력 코일(1012)은 공유된 PCB2 상의 연결들(이는 직렬 커패시턴스 및/또는 다른 회로부 연결들을 또한 포함할 수 있음)을 통해 타겟 코일(1014)에 도전적으로 커플링될 수 있다. 그러나, 타겟 코일(1016)은 또한 도 10a에 도시된 바와 같은 가요성 케이블들/와이어들(1018)을 통해 구현될 수 있는 이차 전력 코일(1012)에 도전적으로 커플링될 필요가 있다. 다르게 말하면, 타겟 코일들(1014, 1016) 각각은 서로에 연결할 적어도 두 개의 도체들을 포함하는데, 타겟 코일들(1014, 1016)의 각각에 연관되는 양 단자들이 연결될 필요가 있기 때문이다. 가요성 와이어들(1018)은 이 목적을 위해 구현될 수 있고, 토크가 전달될 때 타겟 코일들(1014, 1016)이 서로에 대해 회전함에 따라 적절한 내구성을 보장하기 위한 임의의 적합한 재료를 포함할 수 있다.
이차 전력 코일(1012)과 타겟 코일(1016) 사이의 도전성 커플링의 다른 예는 회전가능 출력 샤프트(1004)를 통해 서로 커플링되는 이차 전력 코일(1012) 및 타겟 코일(1016)을 포함한다. 이 예에서, 타겟 코일들(1014, 1016) 각각이 서로에게 연결하기 위한 적어도 두 개의 도체들을 포함하지만, 회전가능 입력 샤프트(1002)와 회전가능 출력 샤프트(1004)는 이 목적을 위한 적합한 전기 전도성 재료(예컨대, 금속)로 구성되고, 따라서 이차 전력 코일(1012)에 대한 PCB2에서의 로컬 연결, 타겟 코일(1016)에 대한 PCB 3에서의 로컬 연결, 그리고 회전가능 입력 샤프트(1002) 및 회전가능 출력 샤프트(1004)를 통해 형성되는 도전성 경로 사이에 형성된 경로를 통해 이들 재료들 중 각각의 재료의 전기 전도율의 곱으로서 도시된 바와 같은 전기 에너지가 제공된다. 이러한 경우, 단일 가요성 와이어(1052)만이 타겟 코일(1016)의 제2 단자를 연결하기 위해 필요하다. 도 10b에 도시된 바와 같이, 회전가능 입력 샤프트(1002) 및 회전가능 출력 샤프트(1004)를 통하는 도전성 경로는 이차 전력 코일(1012)의 단자들 중 하나와 타겟 코일(1016)의 다른 단자 사이에 연결을 제공하기 위해 각각 도 10b에 도시된 바와 같이 PCB2 및 PCB3의 각각에서의 와이어를 회전가능 출력 샤프트(1004) 및 회전가능 입력 샤프트(1002)에 본딩하는 것을 포함할 수 있다.
또 다른 예로서, 타겟 코일들(1014, 1016)의 각각은 전용 전력 코일을 통해 전력을 수신할 수 있으며, 이는 비틀림 엘리먼트를 가로질러 임의의 가요성 와이어들을 커플링할 필요를 제거한다. 이러한 실시예들에 따라, 이차 전력 코일(1012)은 일차 전력 코일(1006)에 유도적으로 커플링하고 타겟 코일(1014)에 도전적으로 커플링하여 타겟 코일(1014)에 전력을 제공한다. 더구나, 도 10b에 도시되지 않았지만 이차 전력 코일(1012)이 타겟 코일(1014)을 위해 PCB2 상에 제공되는 것과 유사한 방식으로 PCB3의 일부로서 포함될 수 있는 삼차 전력 코일이 사용될 수 있다. 이러한 실시예들에 따라, 삼차 전력 코일은 또한 일차 전력 코일(1006)에 유도적으로 커플링하고 타겟 코일(1016)에 도전적으로 커플링하여 타겟 코일(1016)에 전력을 제공한다. 삼차 코일 시스템의 사용은 도 11a 및 도 11b를 참조하여 더 아래에서 더 논의된다.
도 10a 및 도 10b를 참조하여 그리고 또한 도 11a 및 도 11b를 참조하여 아래에서 도시되고 논의되는 바와 같은 다양한 전력 코일들, 픽업 코일들, 및 타겟 코일들 간의 구성, 배열, 및 물리적 관계는 제한이 아니고 예이다. 예를 들어, PCB1, PCB2, 및/또는 PCB3(또는 다른 적합한 기판) 중 하나 이상은 다수의 층들 및/또는 PCB들로 분할될 수 있으며, 그것들의 세부사항들은 간결함을 위해 도시되지 않는다. 다시 말하면, 다양한 코일들, 연결들, 단자들 등이 그 위에 배치되는 것을 용이하게 하기 위해 PCB1은 PCB1a, PCB1b 등으로 형성될 수 있다.
더구나, 그리고 전력 코일들의 구성 및 사용량에 상관없이, 실시예들은 공통 또는 전용 전력 코일들의 각각과, 각각의 전력 코일들이 도전성 커플링을 통해 전기 에너지를 제공하는 타겟 코일들 중 하나 또는 양쪽 모두 사이에 옵션적으로 커플링되는 직렬 커패시터 및/또는 다른 적합한 회로부를 포함한다. 다시, 그렇게 하면 본 개시에서 논의되는 바와 같이 동작 효율을 증가시킨다. 게다가, 직렬 커패시터의 사용에 더하여 또는 그러한 사용 대신의 다른 유형들의 회로들의 사용은 전력이 전력 코일(들)에서 타겟 코일(들)로 전달되는 것을 유리하게 개선하기 위해 본 개시에서 논의되는 실시예들에 따라 구현될 수 있다.
본 개시에서 설명되는 실시예들은 대안적인 장착 구성들과 도 10a 및 도 10b에 도시된 예들과는 대안적인 순서의 다양한 컴포넌트들을 사용하는 것을 포함한다. 예를 들면, 도 10a 및 도 10b와 도 11a 및 도 11b에 도시된 다양한 코일들 및 다른 컴포넌트들은 도시된 예들과는 상이한 PCB들에 장착될 수 있다. 다시 말하면, 다양한 타겟 코일들, 전력 코일들, 및 픽업 코일들의 서로에 대한 배치와 이러한 컴포넌트들 사이의 간격은 도 10a 및 도 10b와 도 11a 및 도 11b에 도시된 구성에서 벗어날 수 있다. 예를 들어, 타겟 코일들(1012, 1016)의 각각은 고정자 회로부의 동일 측에 배치된 것으로서 도 10a 및 도 10b에서 도시된다. 이것이 제한이 아니라 예이고, 타겟 코일들(1012, 1016)이 고정자 보드(들)의 반대 측들에 배치될 수 있지만(예컨대, PCB1 및 일차 전력 코일(1006) 및 픽업 코일 시스템들(1008, 1010)), 타겟 코일들(1012, 1016) 사이에 고정자 보드(들)(예컨대, PCB1)를 배치하지 않는 것이 바람직한데, 이는 조립 절차를 복잡하게 하고 고정자와 회전자 사이의 에어 갭이 시간이 지남에 따라 변화할 수 있으므로 제품 수명 동안 시스템의 안정성 및 정확도를 악화시키기 때문이다.
다른 예로서, 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같은 예시적인 유도 토크 센서 시스템들(1000, 1050)은 PCB2의 장착 구성을 통해 회전가능 출력 샤프트(1004)에 커플링된 이차 전력 코일(1014)을 예시한다. 그러나, 이는 제한이 아니라 예이고, 이차 전력 코일(1014)은 회전가능 입력 샤프트(1002)에 대안적으로 커플링될 수 있다. 예를 들면, 이차 전력 코일(1014)은 타겟 코일(1014)이 있는 PCB2 상에 배치되는 대신 타겟 코일(1016)이 있는 PCB3 상에 배치될 수 있다.
본 개시에서 설명되는 다양한 실시예들에서, 타겟 코일의 자기장은 더 높은 주기수에 대해 거리에 비해 더 가파르게 쇠퇴한다는 것이 인식된다. 따라서, 타겟 코일(1016)이 타겟 코일(1014)보다 큰 주기수를 가지면, 타겟 코일(1016)과 픽업 코일 시스템(1010)의 픽업 코일들 사이의 거리는, 일차, 이차, 및 삼차(존재한다면) 전력 코일들의 위치에 무관하게, 타겟 코일(1014)과 픽업 코일 시스템(1008)의 코일들 사이의 거리보다 작아야 한다. 더구나, 일차, 이차, 및 삼차 전력 코일들은 1의 k중 주기수(= 360°)를 가지도록 가정될 수 있다. 그러므로, 일차, 이차, 및 삼차 전력 코일들에 의해 생성된 자기장들은 거리에 따라서만 적당히 쇠퇴한다. 유도 토크 센서 시스템(1000)이 일차, 이차, 및 삼차 전력 코일들(고정자 부분에 대해 하나, 타겟 코일(1014)에 대해 하나, 및 타겟 코일(1016)에 대해 하나)을 가진다면, 그리고 각각의 타겟 코일이 자신 소유의 전용 전력 코일이 있는 단일 PCB로 형성되면, 일차 전력 코일(1006)에 가장 가까운 타겟 코일은 일차 전력 코일(1006)보다 멀리 위치되는 타겟 코일에 비해 약간 더 높은 커플링된 전력을 수신할 것이다. 그 결과, 더 가까운 타겟 코일이 최고 주기수를 가지면 유익하다.
이를 염두에 두고, 도 10a 및 도 10b와 도 11a 및 도 11b에 도시된 것과 비교하여 일차 전력 코일(1006)로부터 멀어지게 이동하는 축 방향에서 공간적 시퀀스의 다른 예가, (1) 일차 전력 코일(1006), (2) 임의의 순서로 픽업 코일 시스템들(1008, 1010)에 연관되는 픽업 코일들, (3) k중 대칭 주기수를 감소시키는 순서에 의해 일차 전력 코일(1006)에 대해 가장 가까이에서부터 가장 멀리까지 배열되는 타겟 코일들(1014, 1016), 그리고 (4) 이차 전력 코일(1012) 및 옵션적인 삼차 전력 코일로서 순서화될 수 있다. 다시 말하면, 전력 코일들은 타겟 및 픽업 코일들과 비교하여 서로 간에 더 큰 간격을 용인할 수 있는데, 전력 코일들의 AC 자기장이 (특히 k1 및 k2가 크면) 무정위 타겟 코일들의 장들에 비해 공간에서 덜 쇠퇴하기 때문이다. 그러나, 만일 타겟 코일들(1014, 1016)이 단일 이차 전력 코일에 의해 공급되고, (타겟 코일(1014)에 대해 도 10a에 도시된 바와 같이) 이차 전력 코일(1012)을 타겟 코일(1012 또는 1014)과 동일한 기판 상에 배치하는 것이 가능하면, 고정자 상의 일차 전력 코일(1006)에 더 가까운 이차 전력 코일(1012)을 이 타겟 코일과 동일한 보드 상에 배치하는 것이 바람직하다.
도 10a 및 도 10b와 도 11a 및 도 11b를 참조하여 사용되는 k중 대칭의 예시적인 값들이 k1=2 및 k2=3이며, 이는 도 8의 것들과 일치하도록 설명의 편의를 위해 제공된다. 따라서, 도 10a 및 도 10b와 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같은 타겟 코일 위치들은 3의 더 높은 k중 대칭 주기수를 갖는 타겟 코일(1016)이 위에서 언급된 바와 같이 일차 전력 코일(1006)에 더 가까이 배치될 수 있도록, 예를 들어, 도 10a 및 도 10b와 도 11a 및 도 11b에 도시된 것으로부터 전환될 수 있다. 다른 예로서, 그리고 또한 위에서 언급된 바와 같은 컴포넌트들의 대안적 순서에 따라, 이차 전력 코일(1012) 및/또는 삼차 전력 코일(1152)(도 11b를 참조하여 아래에서 더 논의되는 바와 같음)은 타겟 코일들(1012, 1014)보다 일차 전력 코일(1006)로부터 더 멀리 배치될 수 있다. 이는 도시된 바와 같은 타겟 코일(1016) 대신 타겟 코일(1014)을 또한 포함할 수 있는, 예를 들면, PCB3의 일부로서 형성되는 이차 전력 코일(1012)에 의해 구현될 수 있다.
도 11a 및 도 11b를 이제 참조하면, 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같은 유도 토크 센서 시스템 구성에 따라 비틀림 각도(delta)를 계산하는데 사용될 수 있는 유도 토크 센서 시스템 회로부의 예시적인 블록도가 도시된다. 도 11a는 또한 타겟 코일들(1014, 1016)에 대한 공통 전력 코일의 사용에 관한 추가적인 세부사항들을 제공한다. 도 11b는 타겟 코일들(1014, 1016)에 대한 전용 전력 코일들의 사용에 관한 추가적인 세부사항들을 제공하고, 따라서 아래에서 더 논의되는 삼차 전력 코일(1152)을 예시한다.
도 11a에 도시된 바와 같이, 회전자 부분(1102)은 유도 토크 센서 시스템(1000)의 회전 컴포넌트들을 포함하고, 그것에 연관되는 이차 전력 코일(1012), 타겟 코일들(1014, 1016), 및 수반하는 임의의 도전성 경로들, 트레이스들, 회로부, 단자들, 연결들, 컴포넌트들 등을 포함한다. 따라서, 회전자 부분(1102)에 연관되는 다양한 컴포넌트들은 "회전자 회로부"라고 본 개시에서 대안적으로 지칭될 수 있다. 이는, 예를 들어, PCB2, PCB3, 도면들에서 도시되지 않은 추가적인 PCB들 또는 기판들, PCB2 및 PCB3 상에 형성되어 다양한 코일 구조체들, 단자들, 코일 권선들, 이차 전력 코일(1012)과 타겟 코일들(1014, 1016) 사이의 커플링들, 옵션적인 커패시터들 또는 이차 전력 코일(1012)과 타겟 코일들(1014, 1016) 사이에 직렬로 커플링되는 다른 회로부를 형성하는 연결들 및/또는 트레이스들 등을 포함할 수 있다.
더구나, 고정자 부분(1104)은 유도 토크 센서 시스템(1000)의 정적 컴포넌트들을 포함하고 일차 전력 코일(1006)과 픽업 코일 시스템들(1008, 1010)(이와 연관되는 수반하는 픽업 코일들)을 포함한다. 고정자 부분(1104)은 또한 그것과 연관되는 수반하는 임의의 도전성 경로들, 트레이스들, 회로부, 단자들, 연결들, 컴포넌트들 등을 또한 포함하며, 그것들은 토크 각도 계산 회로부(1106) 뿐만 아니라 토크 각도 계산 회로부(1106)를 형성하는 컴포넌트들에 대한 연결들, 단자들, 커플링들 등을 포함한다. 토크 각도 계산 회로부(1106)는, 아래에서 더 논의되는 바와 같이, PCB1 또는 다른 PCB 상에 형성되는 컴포넌트들 또는 PCB1 상의 다양한 컴포넌트들에 커플링되는 외부 컴포넌트를 포함할 수 있다. 따라서, 고정자 부분에 연관되는 다양한 컴포넌트들은 "고정자 회로부"라고 본 개시에서 대안적으로 지칭될 수 있다. 다시, 이는, 예를 들어, PCB1, 도면들에서 도시되지 않은 추가적인 PCB들 또는 기판들, PCB1 상에 형성되어 다양한 코일 구조체들, 단자들, 코일 권선들, 일차 전력 코일(1006), 픽업 코일 시스템들(1008, 1010) 및 토크 각도 계산 회로부(1106) 사이의 커플링들을 형성하는 연결들 및/또는 트레이스들 등을 포함할 수 있다.
도 11b에 도시된 유도 토크 센서 시스템 회로부(1150)의 예시적인 블록도는, 회전자 회로부(1102)의 일부를 형성하는 전력 코일 구성을 제외하면, 도 11a에 도시된 바와 같은 유도 토크 센서 시스템 회로부(1000)와 동일하다. 다시, 도 11a에 도시된 바와 같은 유도 토크 센서 시스템 회로부(1000)의 회전자 회로부(1102)는 타겟 코일들(1014, 1016) 둘 다에 공통인 이차 전력 코일(1012)을 포함한다. 따라서, 도 11a에 도시된 바와 같은 이차 전력 코일(1012)은 일차 전력 코일(1006)에 유도적으로 커플링되고 타겟 코일들(1014, 1016)의 각각에 도전적으로 커플링되어, 옵션적인 커패시터 및/또는 다른 적합한 회로부가 이차 전력 코일(1012) 및 타겟 코일들(1014, 1016)의 각각과 직렬로 커플링된다. 그러나, 도 11b에 도시된 바와 같은 유도 토크 센서 시스템 회로부(1150)의 회전자 회로부(1102)는 전용 이차 전력 코일(1012)과 삼차 전력 코일(1152)을 포함한다. 이 구성에서, 이차 전력 코일(1012)은 일차 전력 코일(1006)에 유도적으로 커플링되고 타겟 코일(1014)에 도전적으로 커플링된다. 옵션적인 커패시터 및/또는 다른 적합한 회로부가 도 11a에 도시된 바와 같은 유도 토크 센서 시스템 회로부(1000)와 유사하게, 이차 전력 코일(1012) 및 타겟 코일(1014)과 직렬로 커플링될 수 있다. 그러나, 삼차 전력 코일(1152)은 또한 일차 전력 코일(1006)에 유도적으로 커플링되고 타겟 코일(1016)에 도전적으로 커플링되어, 다른 옵션적인 커패시터 및/또는 다른 적합한 회로부가 삼차 전력 코일(1152) 및 타겟 코일(1016)과 직렬로 커플링된다. 다시, 두 개 또는 세 개의 전력 코일들을 구현하는 예, 뿐만 아니라 이러한 픽업 코일 시스템들에 따라 사용되는 타겟 코일들, 픽업 코일 시스템들, 및 픽업 코일들의 수는, 제한이 아니라 예로서 제공되고, 임의의 적합한 수 및/또는 유형의 이러한 컴포넌트들은 본 개시에서 설명되는 바와 같은 다양한 실시예들에 따라 구현될 수 있다.
전력 코일들, 타겟 코일들, 및 픽업 코일들의 수 및 구성에 상관없이, 실시예들은 고정자 회로부(1104)와, 특히, 픽업 코일 시스템(1008)을 포함하는 픽업 코일들의 각각에서 유도되는 신호들을 프로세싱함으로써 픽업 코일 시스템(1008)에 대한 타겟 코일(1014)의 회전 위치(즉, 각도 phi1')를 계산하도록 구성되는 토크 각도 계산 회로부(1106)를 포함한다. 비슷하게, 토크 각도 계산 회로부(1106)는 픽업 코일 시스템(1010)을 포함하는 픽업 코일들의 각각에서 유도되는 신호들을 프로세싱함으로써 픽업 코일 시스템(1010)에 대한 타겟 코일(1016)의 회전 위치(즉, 각도 phi2')를 개별적으로 그리고 독립적으로 계산하도록 구성된다.
일 실시예에서, 토크 각도 계산 회로부(1006)는, 집적 회로, 동일한 PCB 보드를 점유하는 컴포넌트 등과 같은 동일한 컴포넌트의 일부를 형성할 수 있는, 아래에서 더 논의되는 바와 같은 하나 이상의 상호연결된 컴포넌트들을 통해 구현될 수 있다. 달리 특정되지 않는 한, 토크 각도 계산 회로부(1006)의 다양한 컴포넌트들은 본 개시에서 논의되는 바와 같은 다양한 실시예들의 기능을 용이하게 하기 위한 하나 이상의 프로세서들 또는 다른 프로세싱 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 토크 각도 계산 회로부(1106)는 비틀림 각도(delta')를 계산하기 위해 계산된 각도들(phi1' 및 phi2')을 사용하도록 구성되고, 회전가능 입력 샤프트(1002)의 회전 위치(phimech')를 옵션적으로 계산할 수 있다. 그렇게 하기 위해, 토크 각도 계산 회로부(1106)는 임의의 적합한 주파수 또는 주파수 범위(예컨대, 3.5 MHz와 같은 100 kHz 내지 10 MHz) 및 임의의 적합한 진폭(예컨대, 1V)에서 AC 전류를 일차 전력 코일(1006)에 제공하기 위해, 하나 이상의 와이어들, 트레이스들 등을 통해 일차 코일(1006)에 커플링되는 AC 신호를 제공하도록 임의의 적합한 유형의 발진기 회로부로서 구현될 수 있는 발진기(1106)를 포함한다. 위에서 논의된 바와 같이, 일차 전력 코일(1006)은 이차 전력 코일(1012)에 그리고, 존재한다면, 삼차 전력 코일(1152)에 유도적으로 커플링된다. 여하튼, 전력 코일들(1006, 1012, 및 1152)(존재한다면) 사이의 유도 결합은, 위에서 논의되고 도 10a 및 도 10b와 도 11a 및 도 11b에서 도시된 바와 같은 다양한 커플링 배열들을 통해 타겟 코일들(1014, 1016)에 전력을 제공한다. 픽업 코일 시스템들(1008, 1010)의 각각에 포함되는 픽업 코일들은 각각 타겟 코일들(1014, 1016)에 또한 유도적으로 커플링되고, 따라서 토크가 회전가능 입력 샤프트(1002)에서부터 회전가능 출력 샤프트(1004)로 전달될 때 타겟 코일들(1014, 1016)이 비틀림 각도(delta)만큼 서로에 대해 회전함에 따라 가변하는 픽업 코일 시스템들(1008, 1010)에 포함되는 픽업 코일들의 각각에서 전압들이 유도된다.
픽업 코일 시스템들(1008, 1010) 중 각각의 픽업 코일 시스템을 형성하는 코일들 안으로 유도되는 전압들은 진폭 변조된 전압 신호들을 제공하되, 하나의 신호는 픽업 코일 시스템에서 제각각의 코일에 의해 (예컨대, 2상 시스템의 경우 각각의 사인 및 코사인 코일 당 하나) 출력된다. 이들 진폭 변조된 전압 신호들은 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같은 신호 프로세싱(SP) 회로부(1106B 및 1106B')에 커플링된다. 토크 각도 계산 회로부(1106)가 도 11a 및 도 11b의 SP 회로부 블록에 커플링되는 단일 라인을 나타내지만, 이는 각각의 SP 회로부(1106B 및 1106B')가 제각각의 커플링된 픽업 코일 시스템(1008, 1010)을 형성하는 각각의 픽업 코일에 연관되는 단자들로부터 개별 진폭 변조된 전압 신호를 수신하므로 설명의 편의를 위한 것이다. 따라서, SP 회로부(1106B)는 픽업 코일 시스템(1008)의 픽업 코일들(이것들은 서로에 대해 회전됨)의 각각으로부터 하나씩 둘 이상의 진폭 변조된 전압 신호들을 수신하며, SP 회로부(1106B')는 비슷하게 픽업 코일 시스템(1010)의 픽업 코일들(이것들은 또한 서로에 대해 회전됨)의 각각으로부터 하나씩 둘 이상의 진폭 변조된 전압 신호들을 수신한다. 이들 신호들은, 본 개시에서 논의되는 바와 같이, 타겟 코일들(1014, 1016)의 회전 위치에 대해 가변하는 진폭을 갖는다.
신호 프로세싱 회로부(1106B, 1106B')는 그러면 각각의 개별 픽업 코일 시스템(1008, 1010)에 의해 제공되는 진폭 변조된 전압 신호들을 각각 프로세싱하여, 오프셋 제거, 진폭 정규화 등과 같은 신호 컨디셔닝 및/또는 정정 액션들을 제공한다. 신호 프로세싱 회로부(1106B, 1106B')로부터 출력되는 신호들은 프로세싱된 진폭 변조된 전압 신호들이라고 본 개시에서 지칭될 수 있다. 이 신호 프로세싱을 수행하기 위해, SP 회로들(1106B, 1106B')은 이 목적을 위해 임의의 적합한 유형의 회로부를 포함할 수 있다. 예를 들어, SP 회로들(1106B, 1106B')은 EMC 필터들, 진폭 복조기들, 증폭기들, ADC들 등을 포함하도록 구현될 수 있다.
도 8를 참조하여 위에서 언급된 바와 같이, 타겟 코일들(1014, 1016)의 회전 위치는 phi1' 및 phi2'로서 표현될 수 있다. 일 실시예에서, 토크 각도 계산 회로부(1106)는 타겟 코일 회전 변위 계산 회로부(1106C, 1106C')를 포함한다. 타겟 코일 회전 변위 계산 회로부(1106C, 1106C')는 제각각의 커플링된 픽업 코일 시스템(1008, 1010)에 대해 타겟 코일들(1014, 1016)의 각도들(phi1' 및 phi2')을 개별적으로 그리고 독립적으로 계산하도록 구성된다. 이 계산은 SP 회로부(1106B, 1106B')에 의해 출력되는 프로세싱된 진폭 변조된 전압 신호들을 사용하여 다양한 유도 각도 센서 시스템에 대해 위에서 논의된 기법들 및/또는 알려진 기법들을 포함하는 임의의 적합한 방식으로 수행될 수 있다.
그러나, 본 개시에서 설명되는 유도 토크 센서 시스템의 경우와 같이, 위에서 설명된 (예컨대, 도 8에 도시된 바와 같은) 유도 각도 센서들이 서로에 대해 회전하지 않는 타겟 코일들을 포함하기 때문에, 토크 각도 계산 회로부(1106)는 비틀림 각도(delta')를 그리고 옵션적으로는, 각도들(phi1' 및 phi2')을 사용하여 회전 각도(phimech')를 계산할 수 있는 결합 회로부(1106D)를 포함한다. 그렇게 하기 위해, 실시예들은 비틀림 각도(delta')를 도출하기 위해 계산된 각도들(phi1' 및 phi2')을 결합하는 임의의 적합한 유형의 프로세서 회로부로 구현되는 결합 회로부(1106D)를 포함한다(프라임된(primed) 수량들은 센서 시스템으로부터 도출되는 반면, 비프라임된(unprimed) 것들은 실제 물리 량들이다).
이 도출의 일 예가 k1 = 5, k2 = 6, 및 비틀림 각도(delta) = 3°인 유도 토크 센서 시스템에 대해 도 12a 및 도 12b의 그래프들을 사용하여 도시된다. 도 12c 및 도 12d의 그래프들은 k1=5, k2=6이고, 비틀림 각도(delta)가 -3°인 다른 예를 나타낸다. 도 12a 및 도 12c의 그래프들은 회전가능 입력 샤프트(1002)의 다양한 회전 위치들(phimech') 대 타겟 코일들(1014, 1016)의 각도들(phi1' 및 phi2')의 다양한 회전 위치들을 도시한다.
일 실시예에서, 결합 회로부(1106D)는 다음 수학식을 사용하여 타겟 코일들(1014, 1016)의 각도들(phi1' 및 phi2')의 다양한 회전 위치들로부터 비틀림 각도(delta')를 컴퓨팅하도록 구성된다:
수학식 3: delta' = phi1'/k1-phi2'/k2+360°*(m1/k1-m2/k2),
여기서 m1 및 m2는 m1 = 0,1,...k1-1 및 m2 = 0,1,...k2의 범위의 정수 값들이다. m1, m2의 값들은 비틀림 각도(delta')에 대한 결과적인 해가 최소 절대 값을 갖도록 선택된다. 다르게 말하면, 픽업 코일 시스템들(1008, 1010)에서의 상이한 k중 주기수들 때문에, 타겟 코일들의 상이한 회전 위치들(phi1', phi2')에 대해 위의 수학식 3을 사용하여 비틀림 각도(delta')에 대해 존재하는 다수의 해들이 있다. 360°*(m1/k1-m2/k2) 항은, 처음에 미지의 값들이지만, 수학식 3에 따라 delta'에 대한 최소 절대 값을 산출하는 위에서 언급된 정의된 범위들에 따라 m1 및 m2 값들의 고유 세트를 사용하여 비틀림 각도(delta')에 대한 해들을 반복적으로 컴퓨팅함으로써 식별될 수 있는 정수 값들(m1, m2)을 사용함으로써 이들 다수의 해들의 모호성을 해결한다. 이 비틀림 각도(delta')의 최소 절대 값은 따라서 유도 토크 센서 시스템에 연관되는 측정된 비틀림 각도로서 식별된다. 옵션적으로, 회전가능 입력 샤프트(1002)의 각도(phimech')는 비슷하게 계산될 수 있다. 도 12b 및 도 12d의 그래프들은 각각 회전가능 입력 샤프트(1002)의 각도(phimech')와 선택된 m1 및 m2 값들 사이의 관계를 예시하는 3° 및 -3°의 상이한 토크 각도 델타들에 대한 m1 및 m2 값들의 계산의 결과의 일 예를 보여준다.
다시, 다수의 해들이 위의 수학식 3과, m1 및 m2 값들에 따라 비틀림 각도(delta')에 대해 존재하고, 따라서 픽업 코일 시스템들(1008, 1010)의 k중 주기수들(k1, k2)이 또한 증가함에 따라 고유 해를 식별하는데 요구되는 반복들의 수는 증가한다. 그러므로, 실시예들은 모든 조합들(m1, m2)을 컴퓨팅하는 것에 대한 대안을 포함한다. 이러한 실시예들에 따라, 토크 각도 계산 회로부(1106)는, m1 및 m2 값들을 먼저 결정한 다음, 비틀림 각도(delta')(와 옵션적으로 또한 회전가능 입력 샤프트(1002)의 각도(phimech'))를 계산하기 위해 결합 회로부(1106D)에 의해 액세스되는 시스템의 각도 정확도를 개선하기 위한 룩업 테이블(LUT)(1106G) 또는 동등한 보정 측정량들(예컨대, 알고리즘들 또는 온보드 메모리에 저장되는 계수들과의 기능적 관계들)을 포함할 수 있다. 도 13에 도시된 LUT 데이터는, 예를 들어, 유도 토크 센서 시스템의 동작(예컨대, 도 10a 및 도 10b와 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같음)에 연관되는 측정결과들의 세트로부터의 실험 또는 교정 데이터를 사용하여, 계산되고 저장될 수 있다. 이 LUT는 결합 블록 회로부(1106D)의 일부로서 또는 결합 회로부(1106D)를 통해 액세스되는 별도의 컴포넌트로서 통합될 수 있는 임의의 적합한 유형의 메모리에 저장될 수 있다.
여하튼, LUT(1106G)는 위의 수학식 3으로부터의 360°*(m1/k1-m2/k2) 항을 나타내는 m1 및 m2 값들을 상관시키는 데이터의 세트(도 13의 (m1*360/k1-m2*360/k2)의 대체 형태로 표현됨)를 제3 열에 포함할 수 있다. 다르게 말하면, 도 13에 도시된 표는 360°*(m1/k1-m2/k2) 항을 (0 ≤ m1 ≤ k1-1) 및 (0 ≤ m2 ≤ k2)의 범위 내의 상이한 정수 값들의 특정 조합들에 상관시키는 미리 결정된 정수 값들의 세트를 제공한다. 따라서, 비틀림 각도(delta')는, 위의 수학식 3에 따라, 첫째 항 phi1'/k1-phi2'/k2에 가산되는 360°*(m1/k1-m2/k2) 항에 따라 delta'에 대한 최소 절대 값을 갖는, 비틀림 각도(delta') 해를 평가함으로써 식별될 수 있다. 이러한 LUT의 콘텐츠들의 일 예가 도 13에서 오름 차순으로 도시된다. 실시예들에서, 예를 들면, k1, k2 주기수들이 클 때 및/또는 프로세싱 자원들을 감소시키는 것 및/또는 비틀림 각도(delta')가 계산되는 속력을 증가시키는 것이 바람직할 때, LUT 테이블 또는 적합한 보정 측정값들이 특히 유용할 수 있다.
비틀림 각도를 계산하기 위해 위에서 설명된 것들과는 별개의 계산 세트를 사용하는 또 다른 알고리즘의 사용에 관한 추가적인 세부사항들은 본 개시의 말미의 부록에서 제공된다. 그러나, 부록에서 더 상세히 설명되는 전체 개념은, 부록에서 도시되고 설명되는 알고리즘이 타겟 코일들(1008, 1010)의 회전 위치들(phi1' 및 phi2')을 명시적으로 컴퓨팅할 필요가 없다는 점에서 수학식 3이 구현된 위에서 설명된 실시예들과는 상이하다. 대신, 부록에서 설명되는 알고리즘은 도 11a 및 도 11b를 참조하여 위에서 언급된 바와 같은 각각의 SP 회로부(1106B, 1106B')에 제공되는 픽업 코일 시스템들(1008, 1010) 내의 각각의 코일에 의해 출력되는 신호들을 여전히 이용할 수 있다. 그러나, 부록 알고리즘이 구현되는 실시예들에 따라, 타겟 코일 회전 변위 계산 회로부(1106C, 1106C')는 생략될 수 있고, SP 회로부(1106B, 1106B)(및/또는 결합 블록 회로부(1106D))는 복조되고 정규화된 신호들의 조합들(a-c, b+d, a+c, b-d)을 컴퓨팅하며, 이들 신호들의 쌍들에 아크탄젠트 함수를 적용하여 중간 값들(A, B)을 도출하며, 부록 수학식 14(a,b)에 따라 A, B의 가중된 합들을 컴퓨팅하고, 디지털 프로세싱 기법에 따라 최우측 N 비트들을 사용하여 비틀림 각도를 컴퓨팅할 수 있다.
다르게 말하면, 그리고 부록 알고리즘을 계속 참조하여, 알고리즘은 k1중 주기수를 갖는 픽업 코일 시스템(1008) 내의 픽업 코일들에서의 유도된 신호들로부터 도출되는 신호들(a', b')과, k2중 주기수를 갖는 픽업 코일 시스템(1010) 내의 픽업 코일에서의 유도된 신호들로부터 도출되는 신호들(c', d')로 시작한다. 알고리즘은 그 다음에 (예컨대, SP 회로부(1106B, 1106B')를 통해) 이들 진폭들을 정규화하여 수량들(a, b, c, d)을 산출한다. 다음으로, 알고리즘은 a-c, b+d, a+c, 및 b-d를 결합한다. 알고리즘은 그 다음에 이들 수량들의 쌍들로부터 아크탄젠트들을 컴퓨팅하며, 이는 중간 수량들(A, B)을 산출한다. 중간 수량들(A, B)은 그 다음에 k1, k2에 의존하여 고정되는(즉, 미리 결정되거나 또는 메모리를 통해 액세스되는) 계수들(m1, m2)과 선형적으로 결합되고, 이 결합에서부터 결과를 허용된 비틀림 각도들의 기본 간격(primitive interval)으로 변이시키는 항이 감산된다. 따라서, 일단 허용된 비틀림 각도들의 간격에 해당하는 m1 및 m2 값들의 결합이 식별되면, 비틀림 각도(delta')는 수학식 (14a)에 도시된 바와 같이, 비틀림 각도(delta) 및 계수 m2를 도출하기 위한 이들 이진 표현들의 하부 및 상부 부분들의 분리에 의해 결과적인 변이된 결합으로부터 식별된다.
본 개시에서의 실시예들에 따라 수행되는 다양한 프로세싱 단계들은 임의의 적합한 프로세싱 컴포넌트, 하드웨어 컴포넌트들, 소프트웨어 컴포넌트들, 또는 이들의 조합들에 의해 수행될 수 있다. 더구나, 다양한 알고리즘들의 프로세싱 단계들은, 도 11a 및 도 11b를 참조하여 본 개시에서 도시되고 설명되는 바와 같이, 토크 각도 계산 회로부(1106)의 임의의 적합한 부분 및/또는 컴포넌트(들)에 의해 수행될 수 있다.
비틀림 각도(delta')는, 일단 경정되면, 계산된 비틀림 각도(delta)에 대한 상관에 기초하여 전달된 토크 값의 계산을 제공할 수 있다. 더구나, 블록들(1106E 및 1106F)은 특정 애플리케이션을 위해 구현되는 특정 알고리즘에 의존하여 비틀림 각도(delta')에 대한 계산된 값들과 회전가능 입력 샤프트(1002)의 각도(phimech')의 옵션적인 계산을 나타낼 수 있다. 따라서, 블록들(1106E 및 1106F)은 이들 값들의 디지털 표현을 특징화하며 그리고/또는 (예컨대, 도 10a 및 도 10b와 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이) 유도 토크 센서 시스템(1000)에 의해 감지되는 토크 값들을 결정하는데 사용될 수 있는 적합한 메모리 로케이션에 저장되는 이들 값들을 나타낼 수 있다.
예들
본 개시내용의 기법들은 다음 예들에서 또한 설명될 수 있다.
예 1. 토크 센서로서, 제1 타겟 코일과 제2 타겟 코일 ― 제1 타겟 코일 및 제2 타겟 코일 각각은 비틀림 엘리먼트를 중심으로 동축으로 배치되고, 토크가 전달될 때 비틀림 엘리먼트의 회전에 응답하여 비틀림 각도를 형성하기 위해 서로에 대해 회전하도록 구성되며, 제1 타겟 코일은 제1 주기수의 k중 대칭을 갖고, 제2 타겟 코일은 제1 주기수와는 상이한 제2 주기수의 k중 대칭을 가짐 ― 을 포함하는 회전자 회로부; 및 비틀림 엘리먼트를 중심으로 동축으로 배치되도록 구성되는 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들을 갖는 제1 픽업 코일 시스템과, 비틀림 엘리먼트를 중심으로 동축으로 배치되도록 구성되는 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들을 갖는 제2 픽업 코일 시스템 ― 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들은 제1 주기수와 매칭되는 k중 대칭을 갖고, 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들은 제2 주기수와 매칭되는 k중 대칭을 가짐 ― 을 포함하는 고정자 회로부를 포함하며, 고정자 회로부는 제1 타겟 코일과의 유도 결합을 통해 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들에서 유도되는 신호들에 기초하여 그리고 제2 타겟 코일과의 유도 결합을 통해 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들에서 유도되는 신호들에 기초하여 비틀림 각도를 계산하도록 구성되고, 제1 타겟 코일 및 제2 타겟 코일의 각각은 무정위 코일들인, 토크 센서.
예 2. 예 1에 있어서, 고정자 회로부는, 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들에서 유도되는 신호들에 기초하여 제1 픽업 코일 시스템에 대한 제1 타겟 코일의 회전 위치(phi1')를 계산하는 단계; 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들에서 유도되는 상기 신호들에 기초하여 제2 픽업 코일 시스템에 대한 제2 타겟 코일의 회전 위치(phi2')를 계산하는 단계; 및 delta'에 대한 최소 절대 값을 산출하는 정수 값들(m1, m2)의 세트를 사용하여 비틀림 각도(delta')를 식별하기 위해 (0 ≤ m1 ≤ k1-1) 및 (0 ≤ m2 ≤ k2)의 상이한 정수 값들의 조합의 각각에 대해, 다음 수학식: delta' = (phi1'/k1)-(phi2'/k2)+(360°*(m1/k1-m2/k2))를 반복적으로 평가하는 단계;에 의해 상기 비틀림 각도(delta')를 계산하도록 구성되며, k1은 제1 주기수를 갖는 제1 타겟 코일의 k중 대칭을 나타내고, k2는 제2 주기수를 갖는 제2 타겟 코일의 k중 대칭을 나타내는, 토크 센서.
예 3. 예 1 및 예 2의 임의의 조합에 있어서, 고정자 회로부는, 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들에서 유도되는 신호들에 기초하여 제1 픽업 코일 시스템에 대한 제1 타겟 코일의 회전 위치(phi1')를 계산하는 단계; 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들에서 유도되는 신호들에 기초하여 제2 픽업 코일 시스템에 대한 제2 타겟 코일의 회전 위치(phi2')를 계산하는 단계; 및 360°*(m1/k1-m2/k2) 항에 따라 delta'에 대한 최소 절대 값을 산출하는 m1 및 m2 값들의 조합으로 비틀림 각도(delta')를 해로서 식별하기 위해 360°*(m1/k1-m2/k2) 항을 (0 ≤ m1 ≤ k1-1) 및 (0 ≤ m2 ≤ k2)의 범위 내의 상이한 정수 값들의 특정 조합들에 상관시키는 미리 결정된 정수 값들의 세트를 사용하여, 다음 수학식: delta' = (phi1'/k1)-(phi2'/k2)+(360°*(m1/k1-m2/k2))를 평가하는 단계;에 의해 비틀림 각도(delta')를 계산하도록 구성되며, k1은 제1 주기수를 갖는 제1 타겟 코일의 상기 k중 대칭을 나타내고, k2는 제2 주기수를 갖는 제2 타겟 코일의 k중 대칭을 나타내는, 토크 센서.
예 4. 예 1 내지 예 3의 임의의 조합에 있어서, 제1 타겟 코일과 제2 타겟 코일은 제1 타겟 코일 또는 제2 타겟 코일의 자체 인덕턴스의 1/10 이하인 상호 인덕턴스를 서로 간에 갖는, 토크 센서.
예 5. 예 1 내지 예 4의 임의의 조합에 있어서, 고정자 회로부는 발진기에 커플링되는 제1 전력 코일을 더 포함하며, 발진기는 교류 전류(AC) 신호를 제1 전력 코일에 공급하도록 구성되며, 회전자 회로부는 (i) 제1 전력 코일에 유도적으로 커플링되는, 및 (ii) 제1 타겟 코일에 도전적으로 커플링되는 제2 전력 코일을 더 포함하고, 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들 및 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들에서 유도되는 신호들은 제1 전력 코일에 공급되는 AC 신호에 기초하는, 토크 센서.
예 6. 예 1 내지 예 5의 임의의 조합에 있어서, 제2 전력 코일은 직렬 커패시터를 통해 제1 타겟 코일에 커플링되도록 구성되는, 토크 센서.
예 7. 예 1 내지 예 6의 임의의 조합에 있어서, 제2 전력 코일은 제2 타겟 코일에 도전적으로 추가로 커플링되고, 회전자 회로부는 (i) 제1 전력 코일에 유도적으로 커플링되는, 및 (ii) 제2 타겟 코일에 도전적으로 커플링되는 제3 전력 코일을 더 포함하는, 토크 센서.
예 8. 예 1 내지 예 7의 임의의 조합에 있어서, 제1 타겟 코일은 하나 이상의 가요성 와이어들을 통해 제2 타겟 코일에 도전적으로 커플링되는, 토크 센서.
예 9. 예 1 내지 예 8의 임의의 조합에 있어서, 제1 타겟 코일은 비틀림 엘리먼트를 통해 제2 타겟 코일에 도전적으로 커플링되는, 토크 센서.
예 10. 예 1 내지 예 9의 임의의 조합에 있어서, 제1 타겟 코일 및 제2 타겟 코일은 각각이 고정자 회로부의 동일 측에 배치되도록 구성되며, 제1 타겟 코일은 제2 타겟 코일보다 고정자 회로부에 더 가까이 배치되도록 구성되고, 제1 타겟 코일의 제1 주기수는 제2 타겟 코일의 제2 주기수보다 큰, 토크 센서.
예 11. 예 1 내지 예 10의 임의의 조합에 있어서, 제1 픽업 코일 시스템에 포함되는 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들 중 각각의 제1 픽업 코일은 제1 픽업 시스템에서의 짝수 N의 코일들에 대한 함수
Figure pat00009
, 및 제1 픽업 시스템에서의 홀수 N의 코일들에 대한 함수
Figure pat00010
에 따라 원주 방향에서 서로로부터 회전 오프셋되며, k1은 제1 주기수를 나타내고, 제2 픽업 코일 시스템에 포함되는 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들 중 각각의 제2 픽업 코일은 제2 픽업 시스템에서의 짝수 M의 코일들에 대한 함수
Figure pat00011
와, 제2 픽업 시스템에서의 홀수 M의 코일들에 대한 함수
Figure pat00012
에 따라 원주 방향에서 서로로부터 회전 오프셋되며, k2는 제2 주기수를 나타내는, 토크 센서 시스템.
예 12. 예 1 내지 예 11의 임의의 조합에 있어서, 고정자 회로부는 제1 전력 코일을 더 포함하고, 회전자 회로부는 제2 전력 코일을 더 포함하고, 제1 전력 코일과 제2 전력 코일은 (i) 제1 전력 코일의 회전 각도, (ii) 제2 전력 코일의 회전 각도, 및 비틀림 각도에 대해 일정한 상호 인덕턴스를 서로 간에 갖는, 토크 센서.
예 13. 예 1 내지 예 12의 임의의 조합에 있어서, 고정자 회로부는, 미리 정의된 진폭으로 정규화되는 신호들(a, b)의 제1 세트를 제공하기 위해 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들에서 유도되는 신호들의 진폭 복조 및 정규화를 수행하는 것; 미리 정의된 진폭으로 정규화되는 신호들(c, d)의 제2 세트를 제공하기 위해 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들에서 유도되는 신호들의 진폭 복조 및 정규화를 수행하는 것; (i) arctan2{b+d, a-c}, 또는 (ii) arctan2{a+c, d-b} 중 적어도 하나를 사용하여 중간 수량(A)을 계산하는 것; (i) arctan2{b+d, a+c}, 또는 (ii) arctan2{a-c, d-b} 중 적어도 하나를 사용하여 중간 수량(B)을 계산하는 것; 및 허용가능 비틀림 각도들의 미리 결정된 범위 내에 있는 비틀림 각도(delta)에 대한 해가 식별되기까지 m2에 대한 상이한 값들을 사용하여, 다음 수학식: delta = C1*A+C2*B+C3*m2를 반복적으로 평가함으로써 비틀림 각도(delta)를 계산하는 것;에 의해 비틀림 각도(delta)를 계산하도록 구성되며, 계수들(C1, C2, 및 C3)의 각각은 제1 타겟 코일의 k중 대칭 및 제2 타겟 코일의 k중 대칭에 의존하는 미리 결정된 값들인, 토크 센서.
예 14. 토크 센서 시스템으로서, 회전가능 입력 샤프트; 회전가능 입력 샤프트에 커플링되는 회전가능 출력 샤프트 ― 회전가능 입력 샤프트 및 회전가능 출력 샤프트는 공통 회전 축을 갖고 회전가능 입력 샤프트의 회전에 응답하여 토크가 전달될 때 서로 간에 비틀림 각도를 형성함 ―; 회전가능 입력 샤프트 또는 회전가능 출력 샤프트 중 하나에 커플링되고 공통 회전 축을 중심으로 동축으로 배치되는 제1 타겟 코일 ― 제1 타겟 코일은 무정위이고 제1 주기수의 k중 대칭을 가짐 ―; 회전가능 입력 샤프트 및 회전가능 출력 샤프트 중 다른 하나에 커플링되고 공통 회전 축을 중심으로 동축으로 배치되는 제2 타겟 코일 ― 제2 타겟 코일은 무정위이고 제1 주기수와는 상이한 제2 주기수의 k중 대칭을 가짐 ―; 공통 회전 축을 중심으로 동축으로 배치되는 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들 ― 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들 각각은 무정위이고 제1 주기수와 매칭되는 k중 대칭을 가짐 ― 을 갖는 제1 픽업 코일 시스템; 공통 회전 축을 중심으로 동축으로 배치되도록 구성되는 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들 ― 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들 각각은 무정위이고 제2 주기수와 매칭되는 k중 대칭을 가짐 ― 을 갖는 제2 픽업 코일 시스템; 및 제1 타겟 코일과의 유도 결합을 통해 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들에서 유도되는 신호들에 기초하여 그리고 제2 타겟 코일과의 유도 결합을 통해 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들에서 유도되는 신호들에 기초하여 비틀림 각도를 계산하도록 구성되는 고정자 회로부를 포함하는, 토크 센서 시스템.
예 15. 예 14에 있어서, 발진기에 커플링되는 제1 전력 코일 ― 발진기는 교류 전류(AC) 신호를 제1 전력 코일에 공급하도록 구성됨 ―; 및 (i) 제1 전력 코일에 유도적으로 커플링되는, 및 (ii) 직렬 커패시터를 통해 제1 타겟 코일에 도전적으로 커플링되는 제2 전력 코일을 더 포함하며, 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들 및 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들에서 유도되는 신호들은 제1 전력 코일에 공급되는 AC 신호에 기초하는, 토크 센서 시스템.
예 16. 예 14와 예 15의 임의의 조합에 있어서, 제2 전력 코일은 제2 타겟 코일에 도전적으로 추가로 커플링되고, 토크 센서 시스템은, (i) 제1 전력 코일에 유도적으로 커플링되는, 그리고 (ii) 제2 타겟 코일에 도전적으로 커플링되는 제3 전력 코일을 더 포함하는, 토크 센서 시스템.
예 17. 예 14 내지 예 16의 임의의 조합에 있어서, 제1 타겟 코일은 하나 이상의 가요성 와이어들을 통해 제2 타겟 코일에 도전적으로 커플링되는, 토크 센서 시스템.
예 18. 예 14 내지 예 17의 임의의 조합에 있어서, 제1 타겟 코일은 회전가능 출력 샤프트를 통해 제2 타겟 코일에 도전적으로 커플링되는, 토크 센서 시스템.
예 19. 예 14 내지 예 18의 임의의 조합에 있어서, 발진기에 커플링되는 제1 전력 코일 ― 발진기는 교류 전류(AC) 신호를 제1 전력 코일에 공급하도록 구성됨 ― 을 더 포함하며, 제1 타겟 코일 및 제2 타겟 코일은 각각이 제1 전력 코일의 동일 측에 배치되도록 구성되며, 제1 타겟 코일은 제2 타겟 코일보다 제1 전력 코일에 더 가까이 배치되도록 구성되고, 제1 타겟 코일의 제1 주기수는 제2 타겟 코일의 제2 주기수보다 큰, 토크 센서 시스템.
예 20. 예 14 내지 예 19의 임의의 조합에 있어서, 제1 픽업 코일 시스템에 포함되는 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들 중 각각의 제1 픽업 코일은 제1 픽업 시스템에서의 짝수 N의 코일들에 대한 함수
Figure pat00013
, 및 제1 픽업 시스템에서의 홀수 N의 코일들에 대한 함수
Figure pat00014
에 따라 원주 방향에서 서로로부터 회전 오프셋되며, k1은 제1 주기수를 나타내고, 제2 픽업 코일 시스템에 포함되는 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들 중 각각의 제2 픽업 코일은 제2 픽업 시스템에서의 짝수 M의 코일들에 대한 함수
Figure pat00015
와, 제2 픽업 시스템에서의 홀수 M의 코일들에 대한 함수
Figure pat00016
에 따라 원주 방향에서 서로로부터 회전 오프셋되며, k2는 제2 주기수를 나타내는, 토크 센서 시스템.
예 21. 예 14 내지 예 20의 임의의 조합에 있어서, 고정자 회로부는 제1 전력 코일을 더 포함하고, 토크 센서 시스템은 제2 전력 코일을 포함하는 회전자 회로부를 더 포함하며, 제1 전력 코일과 제2 전력 코일은 (i) 제1 전력 코일의 회전 각도, (ii) 제2 전력 코일의 회전 각도, 및 비틀림 각도에 대해 일정한 상호 인덕턴스를 서로 간에 갖는, 토크 센서 시스템.
예 22. 예 14 내지 예 21의 임의의 조합에 있어서, 고정자 회로부는, 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들에서 유도되는 신호들에 기초하여 제1 픽업 코일 시스템에 대한 제1 타겟 코일의 회전 위치(phi1')를 계산하는 단계; 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들에서 유도되는 상기 신호들에 기초하여 제2 픽업 코일 시스템에 대한 제2 타겟 코일의 회전 위치(phi2')를 계산하는 단계; 및 delta'에 대한 최소 절대 값을 산출하는 정수 값들(m1, m2)의 세트를 사용하여 비틀림 각도(delta')를 식별하기 위해 (0 ≤ m1 ≤ k1-1) 및 (0 ≤ m2 ≤ k2)의 상이한 정수 값들의 조합의 각각에 대해, 다음 수학식: delta' = (phi1'/k1)-(phi2'/k2)+(360°*(m1/k1-m2/k2)를 반복적으로 평가하는 단계;에 의해 상기 비틀림 각도(delta')를 계산하도록 구성되며, k1은 제1 주기수를 갖는 제1 타겟 코일의 k중 대칭을 나타내고, k2는 제2 주기수를 갖는 제2 타겟 코일의 k중 대칭을 나타내는, 토크 센서 시스템.
예 23. 예 14 및 예 22의 임의의 조합에 있어서, 고정자 회로부는, 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들에서 유도되는 신호들에 기초하여 제1 픽업 코일 시스템에 대한 제1 타겟 코일의 회전 위치(phi1')를 계산하는 단계; 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들에서 유도되는 신호들에 기초하여 제2 픽업 코일 시스템에 대한 제2 타겟 코일의 회전 위치(phi2')를 계산하는 단계; 및 360°*(m1/k1-m2/k2) 항에 따라 delta'에 대한 최소 절대 값을 산출하는 m1 및 m2 값들의 조합으로 비틀림 각도(delta')를 해로서 식별하기 위해 360°*(m1/k1-m2/k2) 항을 (0 ≤ m1 ≤ k1-1) 및 (0 ≤ m2 ≤ k2)의 범위 내의 상이한 정수 값들의 특정 조합들에 상관시키는 미리 결정된 정수 값들의 세트를 사용하여, 다음 수학식: delta' = (phi1'/k1)-(phi2'/k2)+(360°*(m1/k1-m2/k2))를 평가하는 단계;에 의해 비틀림 각도(delta')를 계산하도록 구성되며, k1은 제1 주기수를 갖는 제1 타겟 코일의 상기 k중 대칭을 나타내고, k2는 제2 주기수를 갖는 제2 타겟 코일의 k중 대칭을 나타내는, 토크 센서 시스템.
예 24. 예 14 내지 예 23의 임의의 조합에 있어서, 고정자 회로부는, 미리 정의된 진폭으로 정규화되는 신호들(a, b)의 제1 세트를 제공하기 위해 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들에서 유도되는 신호들의 진폭 복조 및 정규화를 수행하는 것; 미리 정의된 진폭으로 정규화되는 신호들(c, d)의 제2 세트를 제공하기 위해 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들에서 유도되는 신호들의 진폭 복조 및 정규화를 수행하는 것; (i) arctan2{b+d, a-c}, 또는 (ii) arctan2{a+c, d-b} 중 적어도 하나를 사용하여 중간 수량(A)을 계산하는 것; (i) arctan2{b+d, a+c}, 또는 (ii) arctan2{a-c, d-b} 중 적어도 하나를 사용하여 중간 수량(B)을 계산하는 것; 허용가능 비틀림 각도들의 미리 결정된 범위 내에 있는 비틀림 각도(delta)에 대한 해가 식별되기까지 m2에 대한 상이한 값들을 사용하여, 다음 수학식: delta = C1*A+C2*B+C3*m2를 반복적으로 평가함으로써 비틀림 각도(delta)를 계산하는 것;에 의해 비틀림 각도(delta)를 계산하도록 구성되며, 계수들(C1, C2, 및 C3)의 각각은 제1 타겟 코일의 k중 대칭 및 제2 타겟 코일의 k중 대칭에 의존하는 미리 결정된 값들인, 토크 센서 시스템.
결론
특정 실시예들이 본 명세서에서 예시되고 설명되었지만, 동일한 목적을 성취하기 위해 계산된 임의의 배치구성은 도시된 특정 실시예들을 치환할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 본 개시내용은 다양한 실시예들의 임의의 및 모든 개조예들 및 변형예들을 커버하도록 의도된다. 위의 실시예들의 조합들과, 본 명세서에서 구체적으로 설명되지 않은 다른 실시예들이, 본 기술분야의 통상의 기술자들에게는 위의 설명을 검토하면 명확하게 될 것이다.
상세한 설명 및 청구범위에서 사용되는 특정 용어들은 매우 넓은 의미로 해석될 수 있다는 것에 추가로 주의해야 한다. 예를 들어, 본 개시에서 사용되는 "회로" 또는 "회로부"라는 용어들은 하드웨어뿐 아니라 소프트웨어, 펌웨어 또는 그것들의 임의의 조합들 또한 포함하는 의미로 해석되어야 한다. "데이터"라는 용어는 임의의 형태의 표현 데이터를 포함하도록 해석될 수 있다. "정보"라는 용어는 임의의 형태의 디지털 정보 외에도 다른 형태들의 표현 정보를 또한 포함할 수 있다. "엔티티" 또는 "유닛"이란 용어는 실시예들에서 임의의 디바이스, 장치 회로들, 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 칩들, 또는 다른 반도체들 뿐만 아니라 프로토콜 층들의 논리적 유닛들 또는 물리적 구현예들 등을 포함할 수 있다. 더욱이 "커플링되는" 또는 "연결되는"이란 용어들은 직접 뿐만 아니라 간접 커플링도 커버하는 넓은 의미로 해석될 수 있다.
명세서에서 또는 청구항들에서 개시되는 방법들은 이들 방법들의 개별 단계들 중 각각의 단계를 수행하는 수단을 갖는 디바이스에 의해 구현될 수 있다는 것에 추가로 주의해야 한다.
특정 실시예들이 본 개시에서 예시되고 설명되었지만, 다양한 대체 및/또는 동등한 구현예들이 본 개시의 범위로부터 벗어남 없이 도시되고 설명되는 특정 실시예들을 대체할 수 있다는 것이 본 기술분야의 통상의 기술자들에 의해 이해될 것이다. 본 개시는 본 개시에서 논의되는 특정 실시예들의 임의의 적응들 또는 변형들을 커버하도록 의도된다.
부록
픽업 코일들의 신호들로부터 비틀림 각도를 취출하기 위한 알고리즘:
출발점:
이 부록에서 논의되는 알고리즘은 계수 m1 및 m2를 참조한다. 이 부록에서 설명되는 m1 및 m2 값들이 또한 정수들이지만, 이들 값들은 수학식 3을 구현하고 각도들(phi1' 및 phi2')의 컴퓨테이션을 요구하는 위의 알고리즘에 따라 논의된 m1 및 m2 값들과는 상이한 맥락에서 별도로 설명된다. 다시, 이 부록에서 설명되는 알고리즘은 타겟 코일들의 회전 위치를 계산할 필요가 없지만, 도 11a 및 도 11b를 참조하여 도시되고 위에서 설명되는 바와 같은 픽업 코일 시스템들(1008, 1010) 내의 픽업 코일들에서 유도되는 신호들을 여전히 이용한다.
이 부록의 알고리즘은 비틀림 엘리먼트(1003)의 대향 단들에 고정되는 k 1중 및 k 2중 대칭의 두 개의 타겟 코일들(예컨대, 타겟 코일들(1014, 1016))을 가정함으로써 시작한다. k 1중 및 k 2중 대칭의 두 개의 픽업 코일 시스템들(픽업 코일 시스템들(1008, 1010))을 또한 갖는다. 토크가 비틀림 엘리먼트(1003)를 통해 전달될 때, 이는 두 개의 타겟 코일들(1014, 1016)을 서로에 대해 각도 델타만큼 비틀며, 이는 픽업 코일 시스템들(1008, 1010)에서 측정된 신호로부터 추출하기 원하는 것이다.
k1중 대칭의 제1 픽업 코일 시스템(1008)은 다음 두 개의 신호들(a', b')을 제공하기 위해 (예컨대, 진폭 복조에 의해 그리고 옵션적으로는 sqrt(2)*(U-V) 등과 같은 일부 다른 산술 연산자들에 의해) 조작될 수 있는 신호들을 제공한다.
Figure pat00017
(1a)
Figure pat00018
(1b)
여기서
Figure pat00019
는 입력 및 출력 샤프트들의 기계적 각도들의 평균값이고,
Figure pat00020
는 입력 및 출력 샤프트들의 기계적 각도들의 차이, 즉, 비틀림 각도이다. k2중 대칭의 제2 픽업 코일 시스템(1010)은 다음 신호들(c', d')을 제공한다.
Figure pat00021
(2a)
Figure pat00022
(2b)
각각의 픽업 코일 시스템이 두 개의 무정위 코일들(SIN+COS) 또는 무정위일 필요가 없는 세 개의 비(non-) 코일들(U,V,W)을 포함할 수 있다는 것에 주의한다. SIN+COS 코일들의 경우 그것들은 (1a,b)에서와 같이 사인 및 코사인 신호들을 직접 제공한다. U,V,W의 경우 그것들을 결합하여 (1a,b)에서와 같은 사인 및 코사인 신호들을 제공할 수 있다.
정규화:
신호들(1a,b)은 다음과 같이 신호들(2a,b)과는 상이한 진폭을 가질 수 있다:
Figure pat00023
. 그 진폭들이 너무 많이 다르면 이는
Figure pat00024
계산에 부정확성을 제공할 것이다. 이러한 경우들에서, 그것들을 얼마간의 미리 정의된 진폭으로 (예컨대, 1의 진폭으로) 정규화하는 것이 필요할 수 있다. 결합 회로부(1106D)는 디지털 도메인에서 다음 계산에 의해 이를 행할 수 있다:
Figure pat00025
(3a)
Figure pat00026
(3b)
Figure pat00027
(4a)
Figure pat00028
(4b)
상이한 진폭들이 픽업 코일 시스템(1008)과 타겟 코일(1014) 사이 및 픽업 코일 시스템(1010)과 타겟 코일(1016) 사이의 상이한 에어갭들에 의해 그리고/또는 k 2와는 상이한 k 1에 의해 유발될 수 있다. 제곱들 및 제곱근들의 컴퓨테이션이 많은 전자적 자원들을 필요로 하기 때문에, 동일한 에어갭들을 갖는 것과, 더 큰 k 1, k 2를 갖는 픽업 코일 시스템(1008, 1010)의 신호들과 1보다 약간 큰 계수의 곱셈에 의해 상이한 k 1, k 2를 처리하는 것이 또한 옵션이고, 바람직하다. 정확한 값은 따라서 시스템의 수치 시뮬레이션을 통해 또는 실험실에서 프로토타입들에 대한 실험 검증을 통해 발견될 수 있다.
따라서, 다음이 가정될 수 있다:
Figure pat00029
(5)
모든 세 개의 수들(k 1, k 2, dk)이 양의 정수들이다. 다음으로 k 1, k 2의 평균을 k로서 도입한다.
Figure pat00030
(6a)
Figure pat00031
(6b)
신호들의 수학적 변환
(6a,b)를 (3a,b) 및 (4a,b)에 삽입하면 일부 기본 삼각 공식들을 적용한 후에 다음이 제공된다:
Figure pat00032
(7a)
Figure pat00033
(7b)
Figure pat00034
(8a)
Figure pat00035
(8b)
이들 수학식들을 쌍으로 결합하면 다음이 제공된다:
Figure pat00036
(9a)
Figure pat00037
(9b)
Figure pat00038
(9c)
Figure pat00039
(9d)
(9a 내지 d)에는 다음이 뒤따른다:
Figure pat00040
(10a)
Figure pat00041
(10b)
이로써 m 1은 (10a,b)의 우변의 결과를 간격 [0,360°)으로 이동한 양 또는 음의 정수이다. 모든 상황에서 (10a,b)의 IF 조건들 중 정확히 하나가 충족됨에 주의한다.
Figure pat00042
의 코사인과 사인이 영이 되는 일은 일어날 수 없다. 따라서 (10a,b)로 결합 회로부(1106D)는 다음을 컴퓨팅할 수 있음을 의미한다:
Figure pat00043
(11a)
또는 대안적으로 결합 회로부(1106D)는 다음을 컴퓨팅할 수 있다:
Figure pat00044
(11a')
그리고 다음이 항상 유지된다:
Figure pat00045
(11b)
또한 (9a 내지 d)에는 다음이 뒤따른다:
Figure pat00046
(12a)
Figure pat00047
(12b)
이로써 m 2는 (12a,b)의 우변의 결과를 간격 [0,360°)으로 이동한 양 또는 음의 정수이다. 모든 상황에서 (12a,b)의 IF 조건들 중 정확히 하나가 충족됨에 주의한다.
Figure pat00048
의 코사인과 사인이 영이 되는 일은 일어날 수 없다. 이는 (12a,b)로 결합 회로부(1106D)는 다음을 컴퓨팅할 수 있다는 것을 의미한다:
Figure pat00049
(13a)
또는 대안적으로 결합 회로부(1106D)는 다음을 컴퓨팅할 수 있다:
Figure pat00050
(13a')
그리고 다음이 유지된다:
Figure pat00051
(13b)
타겟 코일들(1014, 1016)이 5중 및 6중 대칭을 갖는다고 가정한다. 그러면 k = 5.5이고 dk = 1이다. 각도
Figure pat00052
가 0° 내지 360°로 가변할 수 있으면, (13b)의
Figure pat00053
는 360°를 넘어갈 수 있고, B를 기본 간격 [0°,360°)로 다시 되돌리는 것은 m 2에 대한 얼마간의 음의 정수 값을 필요로 한다. (11b)의 상황은 더 나은데,
Figure pat00054
가 0° 내지 180°에서만 가변하기 때문이다. 비틀림 각도(
Figure pat00055
)는 전형적인 애플리케이션에서 -9° 내지 +9°에서 가변할 수 있다. 따라서,
Figure pat00056
는 -25°내지 +25° 사이에서 가변한다. 마지막으로,
Figure pat00057
는 230°에 걸쳐 있는 -205° 내지 +25° 사이에서 가변한다.
따라서 arctan2 함수가 범위 [0°,360°)의 값들만을 출력하면, m 1은 0 또는 1만 될 수 있다.
물론 [-270°,90°) 범위의 값들만을 출력하는 arctan2 함수를 정의하는 것이 또한 가능하다. 이는 출력 범위 [0°,360°)를 갖는 원래의 arctan2 함수를 취하고 그것의 결과로부터 270°를 감산함으로써 수행될 수 있다. 이러한 새로운 arctan2 함수로, m 1 = 0를 설정할 수 있고, 이는 당면한 문제의 해결을 크게 용이하게 한다. 그러면 (13b)의 우변이 또한 간격 [-270°,90°)에 놓이도록 하는 m 2를 발견해야 한다.
Figure pat00058
및
Figure pat00059
에 대해 수학식 (11b), (13b)의 선형 시스템을 풀면 다음이 산출된다:
Figure pat00060
(14a)
Figure pat00061
(14b)
k 1중, k 2중 대칭들이 고정되면 A, B, 및 m 2의 앞의 분수들은 상수들이다. 그것들은 결합 회로부(1106D)의 메모리 또는 결합 회로부(1106D)에 의해 액세스 가능한 다른 적합한 메모리에서의 단순 계수들로서 저장될 수 있다. 따라서, (14a,b)는 단순한 곱셈들과 덧셈들이다. 따라서, 수학식 14a에 도시된 바와 같은 선형 결합은, C1, C2, 및 C3가 수학식 14a의 분수들을 나타내는 것으로 하여, C1*A+C2*B+C3*m2로서 대안적으로 표현될 수 있다. 비슷하게, 수학식 14b에 도시된 바와 같은 선형 결합은, D1, D2, 및 D3가 수학식 14b의 분수들을 나타내는 것으로 하여, D1*A+D2*B+D3*m2로서 대안적으로 표현될 수 있다.
마지막으로 결합 회로부(1106D)는
Figure pat00062
가 [-9°, +9°] 내에 놓이도록 (14a)에서 m 2에 대해 여러 값들을 시도해야만 한다. 일단 m 2에 대한 적절한 값이 발견되면, 이를 (14b)에 삽입하고
Figure pat00063
를 컴퓨팅할 수 있다.
이 'm 2 시도' 알고리즘은 아래에서 상세히 설명된다.
(14a)에서의 스텝 사이즈는 k1=5, k2=6에 대해 12°인
Figure pat00064
이다. 이는
Figure pat00065
에 대해 [-9°, +9°]의 범위에서 작동하지 않을 수 있다. 비틀림 각도는 8°라고 가정한다. 시스템은 m 2 = 0으로 시작하여 (14a)를 컴퓨팅할 것이다. 이것이 이미 결과 8°를 제공한다고 가정한다. 다음으로, 시스템은 m 2 = -1에 대해 시도할 것이다. 이는 더 작은 크기를 제공할 것인데, 8°- 12° = -4°가 더 작은 크기를 갖기 때문이다. 따라서, 이는 -4° 비틀림 각도의 결과를 제공할 것이며, 이는 잘못된 것인데, 비틀림 각도는 8°라고 말했기 때문이다.
-9° 내지 +9°의 비틀림 각도들의 범위에 대해 k1=4 및 k2=5를 선택해야 한다. 그러면, (14a)의 스텝 사이즈는 18°가 된다. 그러므로, 시스템은
Figure pat00066
에 대한 제로 교차를 진행할 때 [-9°,+9°] 내에서 정확히 하나의 값을 발견한다.
이는 (14a)의 스텝 사이즈가 가능한 비틀림 각도들의 스팬(span) 이상이 되어야 한다는 것을 의미한다.
'm2 시도' 알고리즘:
시스템은 디지털 도메인에서 (14a) 컴퓨테이션을 한다. 여기서, 디지털 설계 엔지니어는 비틀림 각도의 표현을 위해 얼마나 많은 비트들이 필요한지를 결정해야 한다. 이를 위해, 1 개의 LSB는
Figure pat00067
의 각도에 해당해야 하며 여기서 N은 자연수라고 정의한다.
다르게 말하면, 이진수 1000...000bin(N 개의 영들이 있음)은
Figure pat00068
의 각도를 의미한다.
이제 (14a)의
Figure pat00069
를 표현하기 위해 시스템이 M+N 개 비트들을 사용하고 M은 어떤 자연수라고 가정하자. (14a)가 기본 간격
Figure pat00070
내에 놓이도록 결합 회로부(1106D)가 이진 표현의
Figure pat00071
를 컴퓨팅하고 m 2에 대한 값을 출력하는 다음 몇 가지 경우들을 고려하자:
Figure pat00072
(15a)
Figure pat00073
(15b)
Figure pat00074
(15c)
Figure pat00075
(15d)
그래서 m 2의 이진 표현은 단순히 가장 왼쪽 M 개 비트들이라는 것을 안다. 다르게 말하면, 결합 회로부(1106D)는 m 2에 대해 다양한 값들을 '시도'해야 하는 것은 아니다. 대신, (-1)*m 2를 갖기 위해
Figure pat00076
의 이진 표현에서 가장 왼쪽 M 개 비트들을 단순히 취한다. 그리고 m 2를 컴퓨팅할 필요 없이 비틀림 각도를 가지기 위해 최우측 N 개 비트들을 단순히 취한다(사실 m 2는 (14b)에 대해서만 명시적으로 필요하다).
이 알고리즘은 양의 비틀림 각도들만을 고려한다는 것에 주의해야 한다. 그러나, 디지털 설계 엔지니어는 알려진 기법들을 사용하여 그 알고리즘을 양 및 음의 비틀림 각도들에 대해 일반화할 수 있다. 전반적인 메시지는, 디지털 시스템이 지능형 방식으로 설계될 때, '시도'의 프로세스는 간단한 디지털 조작들을 사용하여 매우 효율적이고 빠르게 행해질 수 있다는 것이다.

Claims (24)

  1. 토크 센서로서,
    제1 타겟 코일과 제2 타겟 코일 ― 상기 제1 타겟 코일 및 상기 제2 타겟 코일 각각은 비틀림 엘리먼트를 중심으로 동축으로 배치되고, 토크가 전달될 때 상기 비틀림 엘리먼트의 회전에 응답하여 비틀림 각도를 형성하기 위해 서로에 대해 회전하도록 구성되며, 상기 제1 타겟 코일은 제1 주기수의 k중 대칭을 갖고, 상기 제2 타겟 코일은 상기 제1 주기수와는 상이한 제2 주기수의 k중 대칭을 가짐 ― 을 포함하는 회전자 회로부; 및
    상기 비틀림 엘리먼트를 중심으로 동축으로 배치되도록 구성되는 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들을 갖는 제1 픽업 코일 시스템과, 상기 비틀림 엘리먼트를 중심으로 동축으로 배치되도록 구성되는 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들을 갖는 제2 픽업 코일 시스템 ― 상기 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들은 상기 제1 주기수와 매칭되는 k중 대칭을 갖고, 상기 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들은 상기 제2 주기수와 매칭되는 k중 대칭을 가짐 ― 을 포함하는 고정자 회로부;
    를 포함하며,
    상기 고정자 회로부는 상기 제1 타겟 코일과의 유도 결합을 통해 상기 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들에서 유도되는 신호들에 기초하여 그리고 상기 제2 타겟 코일과의 유도 결합을 통해 상기 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들에서 유도되는 신호들에 기초하여 상기 비틀림 각도를 계산하도록 구성되고,
    상기 제1 타겟 코일 및 상기 제2 타겟 코일의 각각은 무정위 코일들인, 토크 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고정자 회로부는:
    상기 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들에서 유도되는 상기 신호들에 기초하여 상기 제1 픽업 코일 시스템에 대한 상기 제1 타겟 코일의 회전 위치(phi1')를 계산하는 단계;
    상기 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들에서 유도되는 상기 신호들에 기초하여 상기 제2 픽업 코일 시스템에 대한 상기 제2 타겟 코일의 회전 위치(phi2')를 계산하는 단계; 및
    delta'에 대한 최소 절대 값을 산출하는 정수 값들(m1, m2)의 세트를 사용하여 상기 비틀림 각도(delta')를 식별하기 위해 (0 ≤ m1 ≤ k1-1) 및 (0 ≤ m2 ≤ k2)의 상이한 정수 값들의 조합의 각각에 대해, 다음 수학식:
    delta' = (phi1'/k1)-(phi2'/k2)+(360°*(m1/k1-m2/k2))
    를 반복적으로 평가하는 단계;에 의해 상기 비틀림 각도(delta')를 계산하도록 구성되며,
    k1은 제1 주기수를 갖는 상기 제1 타겟 코일의 상기 k중 대칭을 나타내고,
    k2는 제2 주기수를 갖는 상기 제2 타겟 코일의 상기 k중 대칭을 나타내는, 토크 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고정자 회로부는:
    상기 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들에서 유도되는 상기 신호들에 기초하여 상기 제1 픽업 코일 시스템에 대한 상기 제1 타겟 코일의 회전 위치(phi1')를 계산하는 단계;
    상기 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들에서 유도되는 상기 신호들에 기초하여 상기 제2 픽업 코일 시스템에 대한 상기 제2 타겟 코일의 회전 위치(phi2')를 계산하는 단계; 및
    360°*(m1/k1-m2/k2) 항에 따라 delta'에 대한 최소 절대 값을 산출하는 m1 및 m2 값들의 조합으로 상기 비틀림 각도(delta')를 해로서 식별하기 위해 360°*(m1/k1-m2/k2) 항을 (0 ≤ m1 ≤ k1-1) 및 (0 ≤ m2 ≤ k2)의 범위 내의 상이한 정수 값들의 특정 조합들에 상관시키는 미리 결정된 정수 값들의 세트를 사용하여, 다음 수학식:
    delta' = (phi1'/k1)-(phi2'/k2)+(360°*(m1/k1-m2/k2))
    를 평가하는 단계;에 의해 상기 비틀림 각도(delta')를 계산하도록 구성되며,
    k1은 제1 주기수를 갖는 상기 제1 타겟 코일의 상기 k중 대칭을 나타내고,
    k2는 제2 주기수를 갖는 상기 제2 타겟 코일의 상기 k중 대칭을 나타내는, 토크 센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 타겟 코일과 상기 제2 타겟 코일은 상기 제1 타겟 코일 또는 상기 제2 타겟 코일의 자체 인덕턴스의 1/10 이하인 상호 인덕턴스를 서로 간에 갖는, 토크 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고정자 회로부는 발진기에 커플링되는 제1 전력 코일을 더 포함하며, 상기 발진기는 교류 전류(AC) 신호를 상기 제1 전력 코일에 공급하도록 구성되며,
    상기 회전자 회로부는 (i) 상기 제1 전력 코일에 유도적으로 커플링되는, 및 (ii) 상기 제1 타겟 코일에 도전적으로 커플링되는 제2 전력 코일을 더 포함하고,
    상기 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들 및 상기 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들에서 유도되는 상기 신호들은 상기 제1 전력 코일에 공급되는 상기 AC 신호에 기초하는, 토크 센서.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2 전력 코일은 직렬 커패시터를 통해 상기 제1 타겟 코일에 커플링되도록 구성되는, 토크 센서.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 전력 코일은 상기 제2 타겟 코일에 도전적으로 추가로 커플링되고,
    상기 회전자 회로부는 (i) 상기 제1 전력 코일에 유도적으로 커플링되는, 및 (ii) 상기 제2 타겟 코일에 도전적으로 커플링되는 제3 전력 코일을 더 포함하는, 토크 센서.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 타겟 코일은 하나 이상의 가요성 와이어들을 통해 상기 제2 타겟 코일에 도전적으로 커플링되는, 토크 센서.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 타겟 코일은 상기 비틀림 엘리먼트를 통해 상기 제2 타겟 코일에 도전적으로 커플링되는, 토크 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 타겟 코일 및 상기 제2 타겟 코일은 각각이 상기 고정자 회로부의 동일 측에 배치되도록 구성되며,
    상기 제1 타겟 코일은 상기 제2 타겟 코일보다 상기 고정자 회로부에 더 가까이 배치되도록 구성되고,
    상기 제1 타겟 코일의 상기 제1 주기수는 상기 제2 타겟 코일의 상기 제2 주기수보다 큰, 토크 센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 픽업 코일 시스템에 포함되는 상기 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들 중 각각의 제1 픽업 코일은 상기 제1 픽업 시스템에서의 짝수 N의 코일들에 대한 함수
    Figure pat00077
    , 및 상기 제1 픽업 시스템에서의 홀수 N의 코일들에 대한 함수
    Figure pat00078
    에 따라 원주 방향에서 서로로부터 회전 오프셋되며, k1은 상기 제1 주기수를 나타내고,
    상기 제2 픽업 코일 시스템에 포함되는 상기 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들 중 각각의 제2 픽업 코일은 상기 제2 픽업 시스템에서의 짝수 M의 코일들에 대한 함수
    Figure pat00079
    와, 상기 제2 픽업 시스템에서의 홀수 M의 코일들에 대한 함수
    Figure pat00080
    에 따라 원주 방향에서 서로로부터 회전 오프셋되며, k2는 상기 제2 주기수를 나타내는, 토크 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 고정자 회로부는 제1 전력 코일을 더 포함하고,
    상기 회전자 회로부는 제2 전력 코일을 더 포함하고,
    상기 제1 전력 코일과 상기 제2 전력 코일은 (i) 상기 제1 전력 코일의 회전 각도, (ii) 상기 제2 전력 코일의 회전 각도, 및 상기 비틀림 각도에 대해 일정한 상호 인덕턴스를 서로 간에 갖는, 토크 센서.
  13. 제1항에 있어서, 상기 고정자 회로부는:
    미리 정의된 진폭으로 정규화되는 신호들(a, b)의 제1 세트를 제공하기 위해 상기 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들에서 유도되는 상기 신호들의 진폭 복조 및 정규화를 수행하는 것;
    미리 정의된 진폭으로 정규화되는 신호들(c, d)의 제2 세트를 제공하기 위해 상기 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들에서 유도되는 상기 신호들의 진폭 복조 및 정규화를 수행하는 것;
    (i) arctan2{b+d, a-c}, 또는 (ii) arctan2{a+c, d-b} 중 적어도 하나를 사용하여 중간 수량(A)을 계산하는 것;
    (i) arctan2{b+d, a+c}, 또는 (ii) arctan2{a-c, d-b} 중 적어도 하나를 사용하여 중간 수량(B)을 계산하는 것; 및
    허용가능 비틀림 각도들의 미리 결정된 범위 내에 있는 비틀림 각도(delta)에 대한 해가 식별되기까지 m2에 대한 상이한 값들을 사용하여, 다음 수학식:
    delta = C1*A+C2*B+C3*m2
    를 반복적으로 평가함으로써 비틀림 각도(delta)를 계산하는 것;에 의해 상기 비틀림 각도(delta)를 계산하도록 구성되며,
    상기 계수들(C1, C2, 및 C3)의 각각은 상기 제1 타겟 코일의 상기 k중 대칭 및 상기 제2 타겟 코일의 상기 k중 대칭에 의존하는 미리 결정된 값들인, 토크 센서.
  14. 토크 센서 시스템으로서,
    회전가능 입력 샤프트;
    상기 회전가능 입력 샤프트에 커플링되는 회전가능 출력 샤프트 ― 상기 회전가능 입력 샤프트 및 상기 회전가능 출력 샤프트는 공통 회전 축을 갖고 상기 회전가능 입력 샤프트의 회전에 응답하여 토크가 전달될 때 서로 간에 비틀림 각도를 형성함 ―;
    상기 회전가능 입력 샤프트 또는 상기 회전가능 출력 샤프트 중 하나에 커플링되고 상기 공통 회전 축을 중심으로 동축으로 배치되는 제1 타겟 코일 ― 상기 제1 타겟 코일은 무정위이고 제1 주기수의 k중 대칭을 가짐 ―;
    상기 회전가능 입력 샤프트 및 회전가능 출력 샤프트 중 다른 하나에 커플링되고 상기 공통 회전 축을 중심으로 동축으로 배치되는 제2 타겟 코일 ― 상기 제2 타겟 코일은 무정위이고 상기 제1 주기수와는 상이한 제2 주기수의 k중 대칭을 가짐 ―;
    상기 공통 회전 축을 중심으로 동축으로 배치되는 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들 ― 상기 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들 각각은 무정위이고 상기 제1 주기수와 매칭되는 k중 대칭을 가짐 ― 을 갖는 제1 픽업 코일 시스템;
    상기 공통 회전 축을 중심으로 동축으로 배치되도록 구성되는 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들 ― 상기 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들 각각은 무정위이고 상기 제2 주기수와 매칭되는 k중 대칭을 가짐 ― 을 갖는 제2 픽업 코일 시스템; 및
    상기 제1 타겟 코일과의 유도 결합을 통해 상기 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들에서 유도되는 신호들에 기초하여 그리고 상기 제2 타겟 코일과의 유도 결합을 통해 상기 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들에서 유도되는 신호들에 기초하여 상기 비틀림 각도를 계산하도록 구성되는 고정자 회로부;
    를 포함하는, 토크 센서 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    발진기에 커플링되는 제1 전력 코일 ― 상기 발진기는 교류 전류(AC) 신호를 상기 제1 전력 코일에 공급하도록 구성됨 ―; 및
    (i) 상기 제1 전력 코일에 유도적으로 커플링되는, 및 (ii) 직렬 커패시터를 통해 상기 제1 타겟 코일에 도전적으로 커플링되는 제2 전력 코일을 더 포함하며,
    상기 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들 및 상기 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들에서 유도되는 상기 신호들은 상기 제1 전력 코일에 공급되는 상기 AC 신호에 기초하는, 토크 센서 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제2 전력 코일은 상기 제2 타겟 코일에 도전적으로 추가로 커플링되고, 상기 토크 센서 시스템은,
    (i) 상기 제1 전력 코일에 유도적으로 커플링되는, 및 (ii) 상기 제2 타겟 코일에 도전적으로 커플링되는 제3 전력 코일을 더 포함하는, 토크 센서 시스템.
  17. 제14항에 있어서, 상기 제1 타겟 코일은 하나 이상의 가요성 와이어들을 통해 상기 제2 타겟 코일에 도전적으로 커플링되는, 토크 센서 시스템.
  18. 제14항에 있어서, 상기 제1 타겟 코일은 상기 회전가능 출력 샤프트를 통해 상기 제2 타겟 코일에 도전적으로 커플링되는, 토크 센서 시스템.
  19. 제14항에 있어서,
    발진기에 커플링되는 제1 전력 코일 ― 상기 발진기는 교류 전류(AC) 신호를 상기 제1 전력 코일에 공급하도록 구성됨 ― 을 더 포함하며,
    상기 제1 타겟 코일 및 상기 제2 타겟 코일은 각각이 상기 제1 전력 코일의 동일 측에 배치되도록 구성되며,
    상기 제1 타겟 코일은 상기 제2 타겟 코일보다 상기 제1 전력 코일에 더 가까이 배치되도록 구성되고,
    상기 제1 타겟 코일의 상기 제1 주기수는 상기 제2 타겟 코일의 상기 제2 주기수보다 큰, 토크 센서 시스템.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 제1 픽업 코일 시스템에 포함되는 상기 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들 중 각각의 제1 픽업 코일은 상기 제1 픽업 시스템에서의 짝수 N의 코일들에 대한 함수
    Figure pat00081
    , 및 상기 제1 픽업 시스템에서의 홀수 N의 코일들에 대한 함수
    Figure pat00082
    에 따라 원주 방향에서 서로로부터 회전 오프셋되며, k1은 상기 제1 주기수를 나타내고,
    상기 제2 픽업 코일 시스템에 포함되는 상기 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들 중 각각의 제2 픽업 코일은 상기 제2 픽업 시스템에서의 짝수 M의 코일들에 대한 함수
    Figure pat00083
    와, 상기 제2 픽업 시스템에서의 홀수 M의 코일들에 대한 함수
    Figure pat00084
    에 따라 원주 방향에서 서로로부터 회전 오프셋되며, k2는 상기 제2 주기수를 나타내는, 토크 센서 시스템.
  21. 제14항에 있어서, 상기 고정자 회로부는 제1 전력 코일을 더 포함하고,
    상기 토크 센서 시스템은, 제2 전력 코일을 포함하는 회전자 회로부 ― 상기 제1 전력 코일과 상기 제2 전력 코일은 (i) 상기 제1 전력 코일의 회전 각도, (ii) 상기 제2 전력 코일의 회전 각도, 및 상기 비틀림 각도에 대해 일정한 상호 인덕턴스를 서로 간에 가짐 ― 를 더 포함하는, 토크 센서 시스템.
  22. 제14항에 있어서, 상기 고정자 회로부는:
    상기 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들에서 유도되는 상기 신호들에 기초하여 상기 제1 픽업 코일 시스템에 대한 상기 제1 타겟 코일의 회전 위치(phi1')를 계산하는 단계;
    상기 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들에서 유도되는 상기 신호들에 기초하여 상기 제2 픽업 코일 시스템에 대한 상기 제2 타겟 코일의 회전 위치(phi2')를 계산하는 단계; 및
    delta'에 대한 최소 절대 값을 산출하는 정수 값들(m1, m2)의 세트를 사용하여 상기 비틀림 각도(delta')를 식별하기 위해 (0 ≤ m1 ≤ k1-1) 및 (0 ≤ m2 ≤ k2)의 상이한 정수 값들의 조합의 각각에 대해, 다음 수학식:
    delta' = (phi1'/k1)-(phi2'/k2)+(360°*(m1/k1-m2/k2))
    를 반복적으로 평가하는 단계;에 의해 상기 비틀림 각도(delta')를 계산하도록 구성되며,
    k1은 제1 주기수를 갖는 상기 제1 타겟 코일의 상기 k중 대칭을 나타내고,
    k2는 제2 주기수를 갖는 상기 제2 타겟 코일의 상기 k중 대칭을 나타내는, 토크 센서 시스템.
  23. 제14항에 있어서, 상기 고정자 회로부는,
    상기 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들에서 유도되는 상기 신호들에 기초하여 상기 제1 픽업 코일 시스템에 대한 상기 제1 타겟 코일의 회전 위치(phi1')를 계산하는 단계;
    상기 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들에서 유도되는 상기 신호들에 기초하여 상기 제2 픽업 코일 시스템에 대한 상기 제2 타겟 코일의 회전 위치(phi2')를 계산하는 단계; 및
    360°*(m1/k1-m2/k2) 항에 따라 delta'에 대한 최소 절대 값을 산출하는 m1 및 m2 값들의 조합으로 상기 비틀림 각도(delta')를 해로서 식별하기 위해 360°*(m1/k1-m2/k2) 항을 (0 ≤ m1 ≤ k1-1) 및 (0 ≤ m2 ≤ k2)의 범위 내의 상이한 정수 값들의 특정 조합들에 상관시키는 미리 결정된 정수 값들의 세트를 사용하여, 다음 수학식:
    delta' = (phi1'/k1)-(phi2'/k2)+(360°*(m1/k1-m2/k2))
    를 평가하는 단계;에 의해 상기 비틀림 각도(delta')를 계산하도록 구성되며,
    k1은 제1 주기수를 갖는 상기 제1 타겟 코일의 상기 k중 대칭을 나타내고,
    k2는 제2 주기수를 갖는 상기 제2 타겟 코일의 상기 k중 대칭을 나타내는, 토크 센서 시스템.
  24. 제14항에 있어서, 상기 고정자 회로부는,
    미리 정의된 진폭으로 정규화되는 신호들(a, b)의 제1 세트를 제공하기 위해 상기 적어도 두 개의 제1 픽업 코일들에서 유도되는 상기 신호들의 진폭 복조 및 정규화를 수행하는 것;
    미리 정의된 진폭으로 정규화되는 신호들(c, d)의 제2 세트를 제공하기 위해 상기 적어도 두 개의 제2 픽업 코일들에서 유도되는 상기 신호들의 진폭 복조 및 정규화를 수행하는 것;
    (i) arctan2{b+d, a-c}, 또는 (ii) arctan2{a+c, d-b} 중 적어도 하나를 사용하여 중간 수량(A)을 계산하는 것;
    (i) arctan2{b+d, a+c}, 또는 (ii) arctan2{a-c, d-b} 중 적어도 하나를 사용하여 중간 수량(B)을 계산하는 것;
    허용가능 비틀림 각도들의 미리 결정된 범위 내에 있는 비틀림 각도(delta)에 대한 해가 식별되기까지 m2에 대한 상이한 값들을 사용하여, 다음 수학식:
    delta = C1*A+C2*B+C3*m2
    를 반복적으로 평가함으로써 비틀림 각도(delta)를 계산하는 것;에 의해 상기 비틀림 각도(delta)를 계산하도록 구성되며,
    상기 계수들(C1, C2, 및 C3)의 각각은 상기 제1 타겟 코일의 상기 k중 대칭 및 상기 제2 타겟 코일의 상기 k중 대칭에 의존하는 미리 결정된 값들인, 토크 센서 시스템.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019213174B9 (de) * 2019-08-30 2023-04-06 Infineon Technologies Ag Induktiver winkelsensor
WO2023227481A1 (de) * 2022-05-21 2023-11-30 Flux Gmbh Mehrspuranordnung für linear- und winkelmesssysteme
DE102022117762A1 (de) * 2022-07-15 2024-01-18 Bourns, Inc. Induktiver Sensor zur Erfassung einer Position

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180224301A1 (en) * 2015-10-22 2018-08-09 Robert Bosch Gmbh Angular Position Sensor
US20190310148A1 (en) * 2018-04-10 2019-10-10 Semiconductor Components Industries, Llc Inductive position sensor
US20190331541A1 (en) * 2016-12-12 2019-10-31 Integrated Device Technology, Inc. Ultra-thin combined inductive torque and angle sensor for steering wheel position sensing

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR960000527Y1 (ko) 1993-10-20 1996-01-17 주식회사 엘지화학 양념용기용 캡
DE19738836A1 (de) * 1997-09-05 1999-03-11 Hella Kg Hueck & Co Induktiver Winkelsensor
DE19941464A1 (de) 1999-09-01 2001-03-15 Hella Kg Hueck & Co Induktiver Positionssensor
JP2005055321A (ja) * 2003-08-05 2005-03-03 Toyoda Mach Works Ltd トルクセンサの組立方法、トルクセンサ、及び電動パワーステアリング装置
JP2010190704A (ja) 2009-02-18 2010-09-02 Nsk Ltd トルクセンサ及び電動パワーステアリング装置
CA2905045C (en) 2013-03-13 2023-08-22 Tiax Llc Torque sensor from phase shift between two sensors
US9289083B2 (en) 2013-10-15 2016-03-22 Robert Lee Food container with discard compartment
DE102013224098A1 (de) 2013-11-26 2015-05-28 Robert Bosch Gmbh Sensoranordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil in einem Fahrzeug
US9051083B1 (en) * 2013-12-04 2015-06-09 Dianne R. Davis Adjustable storage bucket device
US9230592B1 (en) 2014-12-23 2016-01-05 Western Digital Technologies, Inc. Electronic system with a method of motor spindle bandwidth estimation and calibration thereof
FR3031589B1 (fr) 2015-01-13 2018-11-16 Hutchinson Capteurs inductifs de deplacement
US9914477B2 (en) * 2015-12-10 2018-03-13 Ksr Ip Holdings Llc Inductive steering torque and angle sensor
DE102017211190A1 (de) 2017-06-30 2019-01-03 Robert Bosch Gmbh Sensorsystem zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines rotierenden Elements
US10444037B2 (en) * 2017-08-22 2019-10-15 Semiconductor Components Industries, Llc Inductive position sensor
DE102017128869B3 (de) 2017-12-05 2019-05-29 Infineon Technologies Ag Magnetwinkelsensoranordnung und Verfahren zum Schätzen eines Rotationswinkels

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180224301A1 (en) * 2015-10-22 2018-08-09 Robert Bosch Gmbh Angular Position Sensor
US20190331541A1 (en) * 2016-12-12 2019-10-31 Integrated Device Technology, Inc. Ultra-thin combined inductive torque and angle sensor for steering wheel position sensing
US20190310148A1 (en) * 2018-04-10 2019-10-10 Semiconductor Components Industries, Llc Inductive position sensor

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