CN101676680B - 位置传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种位置传感器。该位置传感器为旋转变压器，该旋转变压器包括用于接收通过高频信号(P2)的振幅调制形成的励磁信号(P3，P4)的励磁线圈(22，23)以及用于输出检测信号(P5)的检测线圈(24)。该旋转变压器被设置为基于随着设置有励磁线圈(22，23)或检测线圈(24)的转子的位置变化而改变的检测信号(P5)来检测该转子的位置变化。高频信号(P2)是从基准时钟(P1)生成的数字信号。

Description

位置传感器
技术领域
本发明涉及一种位置传感器，其包括用于接收通过高频波的振幅调制形成的励磁信号的励磁线圈以及用于输出检测信号的检测线圈，该位置传感器用于基于随着设置有励磁线圈或检测线圈的运动物体的位置变化而改变的检测信号，检测该运动物体的位置的变化。
背景技术
迄今为止，高功率无刷电动机已经应用于混合动力车或电动车中。为了控制混合动力车中的无刷电动机，需要精确地检测电动机的输出轴的转动位置。这是因为，为了控制对各线圈的通电切换，必需检测出电动机的转动位置(转动角度)。尤其在车辆中，齿槽(cogging)易于使驾驶性能劣化，因此，存在减少这种齿槽的需求。为此，要求精确的通电切换。
由于旋转变压器(resolver)具有良好的耐高温性、耐噪声性、耐振动性、耐高湿性等，因而使用旋转变压器来检测车辆的电动机轴的位置。旋转变压器包括在电动机内部并直接安装在转子轴上。
例如，设置专利文献1中的旋转变压器，以利用正弦波和余弦波对高频波进行振幅调制，然后将振幅调制后的高频波作为励磁信号输入励磁线圈。这可以提供减少各励磁线圈的匝数的效果。这里，正弦波、余弦波和高频波为模拟波。
此外，专利文献2～4公开了将检测线圈检测到并输出的输出信号转换成数字信号。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利3047231
专利文献2：日本特开平10(1998)-111145
专利文献3：日本特开2007-57316A
专利文献4：日本特开2008-89409A
发明内容
发明要解决的问题
然而，传统的旋转变压器具有如下缺点。具体地，通常，使作为模拟波的正弦波进行分支，并且在CR电路中对该正弦波进行相位偏移以生成余弦波。因此，如果外部温度改变，则出现由于电路温度特性而导致的余弦波相对于正弦波的相位偏移的误差。这种余弦波中产生的误差将导致运动物体的位置检测的错误结果。
为解决上述问题做出了本发明，本发明的目的是提供一种即使在出现温度变化时也产生较小的检测误差的位置传感器。
用于解决问题的方案
为实现上述目的，提供了一种位置传感器，包括：励磁线圈，用于接收通过高频信号的振幅调制形成的励磁信号；以及检测线圈，用于输出检测信号，所述励磁线圈和所述检测线圈之一设置在运动物体上，并且所述位置传感器被设置为基于随着所述运动物体的位置变化而改变的检测信号来检测所述运动物体的位置变化，其中，所述励磁信号是基于基准时钟产生的数字化信号。
发明的有益效果
以下说明具有上述结构的位置传感器的作用和效果。
本发明的位置传感器包括：励磁线圈，用于接收通过高频信号的振幅调制形成的励磁信号；以及检测线圈，用于输出检测信号，所述励磁线圈和所述检测线圈之一设置在运动物体上，并且所述位置传感器被设置为基于随着所述运动物体的位置变化而改变的检测信号来检测所述运动物体的位置变化。所述励磁信号是基于基准时钟产生的数字化信号。因此，不使用模拟用CR电路来进行相位偏移。因此不会由于温度改变而产生相位偏移(偏差)误差。具体地，通过使用基准时钟来产生相互准确地偏移或偏差90°的正弦波和余弦波，从而减少相位偏移误差。
将用于使检测信号通过的门的开启时刻延迟与检测信号的上升相对应的时间，以防止检测信号中所产生的噪声。因此，可以进行精确检测，从而提高了位置传感器的检测位置精度。因此，不太可能在位置传感器的检测位置中出现误差。
此外，基于基准时钟产生励磁信号，作为在相位上相互偏移90°的正弦波数字化信号和余弦波数字化信号。通过低通滤波器将矩形波励磁信号转换为正弦波。因此，能够以更精确的波形生成正弦波和余弦波，从而提高了位置传感器的检测位置精度。
在从属权利要求中给出了本发明的进一步改进。
附图说明
图1是示出本发明第一实施例中的旋转变压器的结构的框图；
图2是示出本发明第二实施例中的旋转变压器的结构的框图；
图3是由第一D/A转换器生成的振幅调制的正弦波的说明图；
图4是由第二D/A转换器生成的振幅调制的余弦波的说明图；
图5是示出当将第二实施例中的正弦波输入到低通滤波器电路时低通滤波器电路的输出信号的波形的图；以及
图6A到6C是示出同步检波器的操作的说明图。
具体实施方式
现在将参考附图给出实现本发明的位置传感器的第一实施例的详细说明。
包括第一实施例中的位置传感器的旋转变压器包括传感器部、定子、转子和控制电路。图1是示出包括本实施例的位置传感器的旋转变压器的控制结构的框图。旋转变压器主要包括传感器部2和电路部1。
在定子中，固定设置第一励磁线圈22和第二励磁线圈23。在转子中，固定设置检测线圈24。转动变换器对25和26分别安装到定子和转子，以将检测线圈24中作为感应电流生成的输出信号发送至定子。第一励磁线圈22、第二励磁线圈23、检测线圈24、转动变换器25和26构成传感器部2。
另一方面，在电路部1中，用于生成高频基准时钟的基准时钟发生器11连接至分频电路12。该分频电路12连接至计数器13。该计数器13还分别连接至ROM 14、矩形波发生电路17以及分频电路18。ROM 14连接至用于生成励磁用正弦波的第一D/A转换器15以及用于生成励磁用余弦波的第二D/A转换器16。
第一D/A转换器15连接至传感器部2的第一励磁线圈22，第二D/A转换器16连接至第二励磁线圈23。
由第一和第二励磁线圈22和23生成的磁场在检测线圈24中产生感应电流。检测线圈24连接至转动变换器对25和26。转动变换器26连接至同步检波器19。该同步检波器19分别连接至矩形波发生电路20和分频电路18。矩形波发生电路20连接至计数器21。该计数器21连接至矩形波发生电路17并且设置有要连接至外部装置的输出端子29。
以下对具有上述结构的旋转变压器的操作进行说明。说明D/A转换器15和16的功能。如图3所示，首先说明通过脉冲信号的振幅调制来产生正弦波的功能。当接收到来自基准时钟发生器11的高频信号时，分频电路12产生600kHz的脉冲信号P1。计数器13对600kHz的脉冲信号P 1的脉冲进行计数，并通过ROM14将脉冲信号P2连同计数数据一起发送至第一和第二D/A转换器15和16。ROM 14已存储有用于产生振幅调制的正弦波和振幅调制的余弦波的程序。ROM 14用于与D/A转换器15和16一同进行如下操作。
ROM 14和第一D/A转换器15根据脉冲信号P2的第一个基准脉冲，生成图3所示的具有负振幅t1的脉冲，然后根据第二个基准脉冲生成具有正振幅s1的脉冲。以这种方式，在图3的时间段T1期间，基于基准脉冲顺序生成振幅为t2、s2、t3、s3、…、s15、t16和s16的脉冲。此外，在图3的时间段T2期间，生成振幅为t17、s17、t18、…、t32和s32的脉冲。
利用时间段T1中具有正振幅s1、s2、…、s16的脉冲和时间段T2中具有负振幅s17、s18、…、s32的脉冲来生成0°～360°的一个正弦波周期。因此，第一D/A转换器15输出图3所示的振幅调制的正弦波P3作为信号。正弦波P3的频率为300kHz/32＝9.375kHz。
类似地，ROM 14和第二D/A转换器16根据与图3中相同的脉冲信号P2的第一个基准脉冲，生成图4所示的具有负振幅t1的脉冲，然后根据第二个基准脉冲生成具有正振幅s1的脉冲。这样，基于基准脉冲顺序产生振幅为t2、s2、t3、s3、…、s15、t16和s16的脉冲。此外，还生成振幅为t17、s17、t18、…、t32和s32的脉冲。
利用具有正振幅s1、s2、…、s8，负振幅s9、s10、…、s24，以及正振幅s25、s26、…、s32的脉冲来产生0°～360°的一个余弦波周期。因此，第二D/A转换器16输出图4所示的振幅调制的余弦波P4作为信号。余弦波P4的频率为300kHz/32＝9.375kHz。正弦波P3和余弦波P4的频率完全相等，并且正弦波P3和余弦波P4相互准确地偏移或偏差90°。
将从第一D/A转换器15输出的正弦波P3输入至第一励磁线圈22。将从第二D/A转换器16输出的余弦波P4输入至第二励磁线圈23。具体地，将9.375kHz的振幅调制的正弦波P3(Asinωt)提供至第一励磁线圈22。将9.375kHz的振幅调制的余弦波P4(Acosωt)提供至第二励磁线圈23。
在检测线圈24中，作为感应电流生成输出信号P5即ABsin(ωt+θ)。通过转动变换器25和26将输出信号P5作为输出信号P6发送至设置在定子上的同步检波器19。图6B示出输出信号P6的波形。图6A示出从分频电路18发送至同步检波器19的检波定时信号P10的波形。生成检波定时信号P10作为1200kHz的信号。图6C示出作为基于检波定时信号P10的脉冲定时进行检波(解调)的结果而获得的检波(解调)后信号P7。
如图6B所示，在从转动变换器26输出的旋转变压器的输出信号P6的波形中，在脉冲信号的上升部出现延迟。这是由于生成感应电流时的延迟所引起的。如果直接测量该输出信号P6，则输出信号P6可能由于其不理想的波形而被错误地检测为噪声。为了避免这种缺点，在本实施例中，同步检波器19被配置为将检波时间(对应于1200kHz)设置成信号切换时间(对应于600kHz)的一半，并将检波时间延迟与1200kHz相对应的时间。因此，可以将输出信号P6的各波形s1、s2、…中的良好信号部分提取为检波后信号P7的各波形ss1、ss2、…(图6C中的斜线所示)。这使得能够提高旋转变压器的检测精度。
同步检波器19将检波后信号P7发送至矩形波发生电路20。该矩形波发生电路20将旋转变压器的检测信号发送至计数器21。计数器21对从矩形波发生电路20发送来的旋转变压器信号的定时和从矩形波发生电路17发送来的基准信号的定时之间的差别进行计数，以计算旋转变压器的移动量。然后，计数器21经由输出端子29将旋转变压器移动量信号P11输出至外部装置。
如上所述，在本实施例中，旋转变压器包括励磁线圈22和23以及检测线圈24，其中，将通过高频信号P2的振幅调制形成的励磁信号P3和P4输入至励磁线圈22和23，检测线圈24用于输出检测信号P5。旋转变压器用于基于根据转子的位置变化而改变的检测信号P5，来检测设置有励磁线圈22和23或检测线圈24的转子的位置的变化。由于高频信号P2是基于脉冲信号P1生成的数字信号，所以不使用模拟信号用CR电路来进行相位偏移。因此，不可能由于温度变化而产生相位偏移(偏差)。
具体地，通过使用脉冲信号P1来产生相互准确地偏移90°的正弦波和余弦波，从而减少相位偏移误差。因此，在旋转变压器的检测位置中出现较小的误差。
此外，将用作使检测信号通过的门的同步检波器19的开启时刻延迟与检测信号的上升相对应的时间。这样防止了励磁信号切换时检测信号中生成的噪声。因此，可以进行精确的检测，并且因此可以提高旋转变压器的检测位置精度。
接着，将说明本发明的第二实施例。第二实施例与第一实施例基本相同。因此，下面的说明集中在与第一实施例不同的结构和操作上。使用相同的附图标记表示相同的组件或部分，并且下文中不再重复各自的说明。
图2示出第二实施例中的旋转变压器的结构。该旋转变压器与第一实施例中的旋转变压器的差别仅在于，在第一D/A转换器15和第一励磁线圈22之间设置有第一低通滤波器电路27，以及在第二D/A转换器16和第二励磁线圈23之间设置有第二低通滤波器电路28。
低通滤波器电路27和28均具有产生正弦波形的功能。因此，当将脉冲信号输入至低通滤波器电路27和28中的每一个时，脉冲信号的两个上角部被平滑化，从而将脉冲信号的波形改变为平滑曲线。具体地，第一低通滤波器电路27将图3所示的由ROM14和第一D/A转换器15振幅调制的正弦波P3改变为图5所示的平滑脉冲形状的波形。
类似地，将从第二D/A转换器16输出的振幅调制的余弦波P4输入至第二低通滤波器电路28。低通滤波器电路28将作为高频信号的脉冲信号的两个角平滑化，从而将脉冲形状的直角角部圆滑为曲线。
当以上述方式对振幅调制的正弦波P3和振幅调制的余弦波P4的高频分量进行平滑化时，正弦波P3和余弦波P4的波形可以改变为图5所示的、更加类似于正弦波和余弦波的波形P8。
如上面所详细说明的，根据第二实施例的旋转变压器，基于基准时钟，将励磁信号形成为相位上相互偏移90°的正弦波数字信号P3以及余弦波数字信号P4。在低通滤波器电路27和28中平滑高频信号P2。因此，可以产生具有更精确波形的正弦波P8和余弦波P9，从而提高了旋转变压器的检测位置精度。
在不偏离本发明本质特征的情况下，本发明可以以其它具体形式实现。例如，上面的实施例说明了使用旋转变压器的角度检测。可选地，可以线性地设置第一和第二励磁线圈，以将第一和第二励磁线圈用于检测线性位置的位置传感器。
上面的实施例解释了与高频调制结合的相位差技术的***。本发明还可以应用于与高频调制结合的振幅技术的***。
尽管已示出并说明了本发明目前的优选实施例，但应当理解，这种公开是用于说明的目的，并且在不脱离所附权利要求书说明的本发明的范围内，可以做出各种修改和变形。

Claims (4)

1.一种位置传感器，包括：励磁线圈(22，23)，用于接收通过高频信号(P2)的振幅调制形成的励磁信号(P3，P4)；以及检测线圈(24)，用于输出检测信号，所述励磁线圈(22，23)和所述检测线圈(24)之一设置在运动物体上，并且所述位置传感器被设置为基于随着所述运动物体的位置变化而改变的检测信号(P5)来检测所述运动物体的位置变化，
其中，所述励磁信号(P3，P4)是基于基准时钟(P1)产生的数字化信号。
2.根据权利要求1所述的位置传感器，其特征在于，基于所述基准时钟(P1)产生所述励磁信号(P3，P4)，作为相位偏移90°的、波高值被振幅调制成正弦波形的数字化信号(P3)和波高值被振幅调制成余弦波形的数字化信号(P4)。
3.根据权利要求1或2所述的位置传感器，其特征在于，用于使所述检测信号通过的门的开启时刻被确定为延迟一时间，该时间为与所述检测信号的上升相对应的时间。
4.根据权利要求2所述的位置传感器，其特征在于，具有矩形波形状的励磁信号(P3、P4)通过低通滤波器(27、28)转换成正弦波信号。
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