CN109564110B - 用于测量轴或类似物的角位置的装置 - Google Patents

Abstract

用于测量轴（12）的角位置的装置包括：支撑件，在所述支撑件上有初级绕组（28）和相对于彼此反相的至少两个次级绕组（1，4；2，3；5，7，8，10；6，9），以形成第一感应式位置传感器（22）；和第二位置传感器（23），其具有至少两个次级绕组，它们相对于彼此反相并且布置在同一支撑件上，相对于中间线在所述第一位置传感器的次级绕组的对面，以便在所述中间线的每侧上形成图案；所述初级绕组围绕所有的次级绕组。还公开了一种包括所述类装置和带有两个相反绕组线圈的靶的组件。

Description

用于测量轴或类似物的角位置的装置

技术领域

本发明涉及一种使用感应技术用于测量轴或类似物的角位置的装置。

背景技术

该技术具有的优点是允许确定机械部件或任何其它元件的位置，而无需与期望获知其位置的部件接触。该优点意味着这种传感器在所有类型的工业中的应用是非常多的。感应式传感器同样用在大众市场应用中，例如已在其中实现本发明的汽车领域。但是，它能够用在其它各种不同的领域中。

感应式传感器的运行原理是基于在高频下运行的变压器的初级绕组和次级绕组之间的耦合变化，并且不使用磁路。这些绕组之间的耦合根据可移动导（电）体部件（通常称为“靶”）的位置而变化。在靶中感应的电流实际上将改变在次级绕组中感应的电流。通过适配绕组的构型并了解注入初级绕组中的电流，测量次级绕组中感应的电流使得可以确定靶的位置。

文献EP0182085描述了这种感应式传感器的原理。

为了将这种感应式传感器集成在装置（尤其电子装置）中，已知的是如何在印刷电路卡片上制造上述变压器。然后，通过在印刷电路卡片上描绘的轨道形成初级绕组和次级绕组。然后，初级绕组例如由外部高频源供电，且之后次级绕组是由初级绕组中的电流流通所产生的磁场所感应的电流的所在地。靶（其是导电部件，例如金属的）可以具有简单的形状。例如，它可以是从金属板剪切下的部件。为了制造线性传感器，用于形成靶的剪切件例如是矩形的，而对于旋转传感器，该剪切件例如将是具有适合于部件运动的半径和角度的角度扇形的形式。

通常，两组次级绕组被设计用于在传感器的一个完整行程上实现靶的位置的正弦函数和余弦函数。这些函数（cos和sin）是众所周知的，并且可以由电子***容易地处理。通过形成正弦与余弦的比然后应用反正切函数，可以获得靶的位置的图像。正弦和余弦函数的自变量是靶的位置的线性（或仿射）函数，其行程因此表示这些三角函数的空间周期的几乎大部分。

从物理观点来看，由于本领域技术人员已知的电磁集肤效应现象，实现了初级电路和次级电路之间的耦合的改变。初级电路由高频源供电，在整个传感器中发生的现象是高频现象。期望获知其位置的靶是实心导体部件，并且是大量感应电流的所在地。这些感应电流的穿透深度相对较浅（因此名为集肤效应）。例如，在铝制靶的情况下，其为50μm的数量级。因此，感应不穿透到靶中，并且由初级电路产生的磁通量因此绕开靶。由于这个事实，场线被强烈改变。该改变由次级电路感知，次级电路根据靶的位置接收或多或少的磁通量。这些根据靶的位置可变的磁通量并且还根据时间可变，并且因此在次级电路的端子处产生电压。通过测量这些电压，由此可以获得信号，该信号在被分析时允许知道靶的位置。

当不可能将传感器放置在轴的端部以确定所述轴的角位置时，已知的是如何为轴提供在线性传感器对面放置的螺旋。实际上，如果考虑相对于固定点旋转的螺旋，则从该固定点看到轴向位移的表面。因此，好像靶在传感器前面线性运动。

因此，线性传感器可以通过适配靶的形状来给出关于轴的角位置的指示。然而，当期望确定其角位置的轴轴向运动时，即使仅为寄生运动，角度测量也由于该轴向运动而出错。

发明内容

因此，本发明的目的是能够以感应技术（无接触），在径向位置（即通过定位于轴的侧面而不是在轴的端部处）中，对轴向游隙不敏感地实施轴或类似物的角位置的测量。

优选地，允许实施该测量的装置将具有减小的占地面积。

有利地，这种传感器也将允许测量纵向位移（沿着轴的旋转轴线）。这将允许例如同时测量角位置和/或旋转速度和轴向位移。同样，这种纵向位移的测量可以用来量化寄生纵向运动。

为此目的，本发明提出了一种用于测量轴或类似物的角位置的装置，其包括支撑件，在该支撑件上首先是初级绕组，其次是彼此反相的至少两个次级绕组，配置成形成第一感应式位置传感器。

根据本发明，装置包括第二位置传感器，第二位置传感器具有至少两个次级绕组，它们相对于彼此反相并且布置在同一支撑件上，相对于中间线在感应式的第一位置传感器的次级绕组的对面，以便每次在所述中间线的每侧上形成图案，其中初级绕组是两个位置传感器的共有的初级绕组，并且围绕两个位置传感器的次级绕组。

这种装置设计成与具有并排布置的两个螺旋的双螺旋一起运行，其中两个螺旋是方向相反的并且彼此分隔开配置。上文限定的两个图案是分开的，使得即使携带呈双螺旋形状的靶的轴受到纵向位移（例如寄生振动），每个图案也可以保持面对螺旋而不受另一个影响。

因此，所提出的装置允许获得仅取决于携带靶的轴的角位置的信号，而对纵向位置中的任何变化（寄生的振动或期望的振动）不敏感。实际上，可以抵消由所提出的次级电路的环路中的纵向位移引起的磁通量的变化。

在实施例的第一形式中，上述测量装置是这样的：每个图案包括与第二绕组的第二组环路相邻的第一绕组的第一组环路，其中第一绕组的环路具有与第二绕组的环路类似的形式，并且第一组的环路数量等于第二组的环路数量。

在上述测量装置的替代实施例中，每个图案包括与第二绕组的第二组环路相邻、并且与第二绕组的第三组环路相邻的第一绕组的第一组环路，第一绕组的环路具有为第二绕组的环路的表面积的两倍的表面积，对于这三组，环路的数量是相等的，并且第一组环路的环路布置在第二组环路的环路与第三组环路的环路之间，以便形成垂直于中间线的环路的对齐。

本发明也涉及由用于测量轴的角位置的装置和靶形成的组件，其特征在于，用于测量轴的角位置的装置是上述类型的用于测量轴的角位置的装置，其中，靶包括螺距相反的两个螺旋，其中，第一感应式位置传感器布置成面对一个螺旋，并且其中，第二位置传感器布置成与另一个螺旋相对。

最后，本发明涉及一种用于非接触式测量轴的角位置的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

· 为轴的外表面提供方向相反的两个螺旋，其中螺旋在角度测量范围中彼此隔开预先确定的距离，该预先确定的距离取决于轴的估计轴向位移，

· 提供第一感应式线性位置传感器，

· 提供第二感应式线性位置传感器，

· 将第一感应式线性位置传感器设置成面对第一螺旋，以便输送信号，信号一方面包括表示轴的纵向位移的组成部分，并且另一方面包括表示其旋转的组成部分，

· 将第二感应式线性位置传感器设置成面对第二螺旋，以便输送信号，信号一方面包括表示轴的纵向位移的组成部分，并且另一方面包括表示其旋转的组成部分，

· 通过结合由第一感应式线性位置传感器输送的信号和由第二感应式线性位置传感器输送的信号（以便消除表示轴的平移的组成部分）来确定轴的角位置。

为了便于该方法的实施，例如可以设置：

· 螺旋相对于轴的圆柱形表面的横向平面对称地布置在所述圆柱形表面上，和/或，

· 第一感应式线性位置传感器和第二感应式线性位置传感器包括共有的初级绕组。

有利地，这种方法还允许通过结合由第一位置传感器输送的信号和由第二位置传感器输送的信号（以便消除表示轴的旋转的组成部分）来测量轴的轴向位移。

附图说明

本发明的细节和优点将从以下参考所附示意图进行的描述中更好地显现出来，其中：

- 图1是轴的侧视图，在轴上要进行角位置（和可选地轴向位置）的测量，

- 图2是图1的轴的横断面视图，其上示出了非接触式测量***，

- 图3示意性地示出了能够用于图2中所示的传感器的初级绕组，

- 图4和图5示意性地示出了能够用于图2中所示的测量装置的次级绕组，

- 图6非常示意性地示出了面对轴的次级绕组，在给定范围（小于360°）中测量轴的角位置，

- 图7非常示意性地示出了面对轴的次级绕组，在360°的范围中测量轴的角位置，且

-图8和图9是类似于图6和图7的视图，用于轴的实施例变型，在轴上进行角位置的测量。

具体实施方式

图1示出了具有纵向轴线14的轴12。该轴12被驱动旋转并且它的角位置以角度θ给出。它能够在对应于纵向轴线14的纵向方向上以侧向平移β运动。平移的位移可以是寄生位移（因此其例如为十分之一毫米的量级）和/或受控位移。

例如，这可以是机动车辆的凸轮轴。该轴12具有圆柱形区域16，在该圆柱形区域16上产生第一螺旋18和第二螺旋20。此处所示出的优选实施例中的这两个螺旋具有相同的特征，并且相对于轴12的横向平面对称地布置。因此，这两个螺旋具有相同的螺距，但方向相反。此处假设它们围绕圆柱形区域16延伸360°。假设轴12沿纵向轴线14的最大侧向位移是δ。因此，第一螺旋18将与第二螺旋20分隔开至少等于2δ的距离。

第一螺旋18和第二螺旋20各自与第一位置传感器22和第二位置传感器23配合，两者分别配置在同一个集成电路板上，集成电路板本身安装在与连接器26相关联的支撑件24上。第一位置传感器22和第二位置传感器23布置在平行于纵向轴线14的平面中，面对螺旋并靠近它们，但与它们没有接触。图2在关于轴12的横截面中示出了位置传感器相对于轴的位置。在螺旋和位置传感器之间保留有毫米量级（从0.5mm至5mm）的空隙。

第一位置传感器22和第二位置传感器23设计成确定轴12的角位置及其沿纵向轴线14的位置。此处，为了确定轴12的角位置（角度θ），使用线性位置传感器。每个螺旋将旋转运动转换为线性运动。当轴12转动时，每个位置传感器感知相应的螺旋为线性位移的靶。一个传感器感知靶在一个方向上位移，另一个传感器感知靶在相反方向上位移。

第一位置传感器22和第二位置传感器23各自为感应式传感器，其包括与次级电路（图4或图5）相关联的一个初级电路28（图3）。以本领域技术人员已知的方式，初级电路28由高频信号激励，并且靶，此处为螺旋（第一螺旋18和第二螺旋20），实现与相对应的次级电路的耦合。通过测量次级电路的端子处的电压（信号），可以获知螺旋相对于第一位置传感器22和第二位置传感器23的位置，并因此获知轴12的角位置。以原创的方式，此处初级电路28是用于第一位置传感器22和第二位置传感器23的共有的电路。

与初级电路一样，每个位置传感器的次级电路印刷在板上，也称为PCB（印刷电路板）。在图4中示出第一种形式的次级电路，并且在图5中示出实施例变型。

在图4的实施例形式中，每个位置传感器的次级电路具有相对于彼此反相的两个绕组。在该图4中注意到编号为1至4的四个环路的存在。环路1和2与第一位置传感器22相关联，而环路3和4与第二位置传感器23相关联。由此，每个环路形成用于相对应的位置传感器的次级绕组。

四个环路1，2，3和4沿着与轴12的纵向轴线14平行的轴线对齐。它们各自具有基本上相同的表面积，使得在没有靶的情况下由初级电路在它们的每一个中感应的磁通量具有相同的绝对值。第一位置传感器22的环路1和2设计成与第一螺旋18相对布置，而第二位置传感器23的环路3和4设计成与第二螺旋20相对布置。环路1和2形成图案M，图案M与由环路3和4形成的图案M相对于中间线AA'对称。在给定的图案M（1和2或3和4）中，每次存在至少一个环路与相同图案的另一个环路反相。在图4和图5中的符号+和-是作为说明性的，用于指示哪些环路是同相的以及哪些环路是反相的。

还注意到两个图案M是分开的。两个图案之间的间隔距离（在图4中对应于环路2和环路3之间的间隔距离）与使第一螺旋18与第二螺旋20分开的距离相同，例如2δ。

图5示出了图4中所示的次级电路的实施例变型。在该例子中，具有编号为5至10的六个环路。次级电路由串联连接和相对于彼此反相的两个绕组形成。一方面环路5、7，另一方面环路8和10分别形成第一位置传感器22和第二位置传感器23的初级绕组：它们串联连接并且同相。环路6和9各自形成次级绕组，在每个例子中，其与环路5、7和8、10反相。

此处同样地，次级电路的环路沿着与轴12的纵向轴线14平行的轴线对齐。环路5，6和7形成与第一位置传感器22相对应的第一图案M'，其与由环路8，9和10形成的与第二位置传感器23相对应的第二图案M'对称。这两个图案是关于中间线AA'对称的，并且彼此分开一距离，此处该距离也对应于使第一螺旋18与第二螺旋20分开的距离，例如2δ。

在每个图案M'中，一个绕组的环路的表面积等于另一个绕组的环路的表面积。因此，第一图案包括环路5和7，每个环路具有基本上等于环路6的表面积的一半的表面积。因此，由初级电路在图案中的绕组的环路中感应的磁通量与由初级电路在另一个绕组的环路中感应的磁通量在绝对值上相同。

参考图6解释借助于位置传感器测量轴12的角位置θ的原理。在该图中，假设位置传感器包括叠加在图4的次级电路上的图3的初级电路28。

在图6中（其是非常示意性的图），示出了第一螺旋18，第二螺旋20以及仅图4的两个传感器的次级电路，和其相关联的四个环路1，2，3和4。在该图包括横坐标轴Z和对应于角位置θ的纵坐标轴。假设每个次级电路（环路1和2及环路3和4）是固定的。螺旋各自由倾斜带表示：这对应于当轴12在螺旋前面旋转时由与螺旋相关联的传感器（次级电路）所感知到的图像。

图6对应于轴12的角位置和轴向位置。如果轴12旋转，则表示螺旋的倾斜带沿图6中的纵坐标轴上升或下降。如果轴12轴向移位，则倾斜带相对于传感器沿横坐标轴移位。

在图6的特定情况下，假设角位置的测量是在小于360°的预定范围内进行的。

当轴12旋转并且θ增加时，环路1的自由表面积减小。当轴12朝向增大Z移位时，环路1的自由表面积增加。因此φ1是环路1中感应的磁通量。该磁通量将与角度θ成反比并与纵向位置Z成比例。由于假设环路1与初级电路同相，因此选择负常数（-φ0）以确定φ1。

这给出了下列公式：

φ1 = -φ0 (-θ+ Z)

将相同的推理应用于其它环路，获得下列公式：

φ2 = φ0 (θ– Z)

φ3 = φ0 (θ+ Z)

φ4 = -φ0 (–θ– Z)

在第一位置传感器22的次级电路的端子处测量的信号将与在环路1和2中流通的磁通量的总和成比例。

这给出了下列公式：

传感器磁通量22 = φ1 + φ2

传感器磁通量22 = φ0 (θ – Z + θ – Z)

传感器磁通量22 = 2φ0 (θ – Z)

在第二位置传感器23的次级电路的端子处测量的信号将与在环路3和4中流通的磁通量的总和成比例。

这给出了下列公式：

传感器磁通量23 = φ3 + φ4

传感器磁通量23 = φ0 (θ + Z + θ + Z)

传感器磁通量23 = 2φ0 (θ + Z)

如果将两个信号相加在一起，则给出表示在四个环路中流通的磁通量总和的信号，即：

∑φ= 4φ0 * θ

因此显露出，通过将次级电路的端子处的信号相加，获得的信号与轴12的角位置成比例，并且对轴12的轴向位移Z不敏感。

可以用图5中所示的次级电路进行类似的证明。这给出相同的结果：通过将在两个位置传感器的两个次级电路的端子处所测量的信号相加所获得的信号与轴的旋转角度成比例，并且对所述轴12的轴向位置Z的变化不敏感。

在上述计算中，假设了每次只存在单一的环路1，单一的环路2，单一的环路3和单一的环路4。为了获得更高的敏感度，明显可以每次叠加多个环路，以增加感应的磁通量，并因此获得更好的敏感度。

从上述计算中也显露出，每个螺旋应在所有时间同时面对位置传感器的两个绕组（图4和图6示出的实施例形式中的1和2，3和4），以便获得上述所计算的涉及平移位移的磁通量补偿。在这种情况下，足以使绕组的几何形状适配螺旋的几何形状。环路的尺寸和位置适配于螺旋的螺距，适配于它们的宽度，适配于它们的位置以及适配于在所考虑的测量范围中的它们的最大平移位移。因此，每个螺旋在角度测量范围中定位成同时面对第一次级绕组和面对与第一次级绕组反相的第二次级绕组。

图7示出了在360°上的角位置的测量。测量原理保持相同。适配螺旋端部的形状，使得对于在整个测量范围（即360°）中的给定的角度变化，感应的磁通量的变化保持相同。因此，在这种情况下设置螺旋围绕轴12延伸360°角并且螺旋的端部相对于轴12位于径向平面中。还应确保圆柱形区域16不具有在距离螺旋端部小于δ的距离处形成靶的凸起或类似物。

如图8所示，可以连接螺旋以形成V字形。对于对多个极实施的测量，例如对于具有多个极的马达的轴，可以在设置用于位置测量的圆柱形区域16处设置多个螺旋或V字形。

沿轴12的纵向轴线14的横向位移可以是寄生运动。然而，它可以涉及受控移动，并且因此有用的是也能够测量轴12沿其纵向轴线的位移。

由于存在相反方向布置的两个螺旋，也能够测量轴12的纵向位移。为此，足以将由位置传感器输送的两个信号减去。在上文给出的示例中，适当的是考虑第二位置传感器23的信号并且从中减去由第一位置传感器22提供的信号。考虑上述示例，这给出了下列公式：

传感器磁通量23 - 传感器磁通量22 = 2φ0 (θ + Z) –2φ0 (θ – Z)

传感器磁通量23 - 传感器磁通量22 = 4φ0 * Z

因此，通过将由位置传感器输送的两个信号减去而获得的信号表示轴12的轴向位移Z。

因此，上述实施例形式使得允许同时测量轴的角位置，而不受其轴向位置的影响，同时也允许测量该轴的轴向位置。因此，单一位置传感器允许进行两种位置测量（角度的和纵向的）。在提交本专利申请时，发明人所知现有技术中尚未完成这种使用单一传感器的双重测量。

所提出的位置传感器（角度的和/或纵向的）具有减小的占地面积。它还可以用于执行轴的角速度传感器（也称为“解角器”）。

所提出的实施例的优选形式中，配置以螺旋形式形成的靶，其中两个螺旋具有相同的螺距但方向相反配置。可以设想使用不同螺距的两个螺旋，其相应地适配位置传感器的环路。

所示实施例形式还提供传感器的对称布置。虽然涉及的是实施例的优选形式，但是可以设想其它形式的实施例。例如，在图4和图6至图9所示的实施例形式中，环路1与环路4同相并且环路2与环路3同相。环路1也可以与环路3同相并且环路2与环路4同相。在后一种情况下，通过将由两个位置传感器输送的信号添加，将获得表示轴12的平移的信号，而这些信号的相减将提供表示轴12的旋转角度的信号。

因此，本发明不限于此前描述并在附图中示出的实施例的优选形式，而且还涉及许多变型（无论是否提及），这些变型可由本领域技术人员从本文件推断。

Claims (7)

1.一种由用于测量轴（12）的角位置的装置和靶（18，20）形成的组件，其中，用于测量轴（12）的角位置的装置是包括支撑件的用于测量轴（12）的角位置的装置，在所述支撑件上配置有首先初级绕组（28），以及其次彼此反相的至少两个次级绕组（1，4；2，3；5，7，8，10；6，9），以形成感应式的第一位置传感器（22），其中所述组件的特征在于：

· 所述装置包括第二位置传感器（23），所述第二位置传感器（23）具有至少两个次级绕组，它们彼此反相并且布置在相同的支撑件上，相对于中间线（A，A'）与所述感应式的第一位置传感器的次级绕组相对，以便在每个情况下在所述中间线的每侧上形成图案（M，M'），其中所述初级绕组围绕两个位置传感器（22，23）的所述次级绕组，

· 所述靶包括螺距相反的两个螺旋（18，20），

· 所述感应式的第一位置传感器（22）布置成与一个螺旋（18）相对，且

· 所述第二位置传感器（23）布置成与另一个螺旋（20）相对。

2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，每个图案（M）包括与第二绕组的第二组环路相邻的第一绕组的第一组环路，其中所述第一绕组的环路具有与所述第二绕组的环路相同的形式，并且第一组的环路数量等于第二组的环路数量。

3.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，每个图案（M'）包括与第二绕组的第二组环路相邻、并且与第二绕组的第三组环路相邻的第一绕组的第一组环路，其中所述第一绕组的环路具有为所述第二绕组的环路的表面积的两倍的表面积，其中三组中的环路的数量是相等的，并且所述第一组环路的环路布置在所述第二组环路的环路与所述第三组环路的环路之间，以便形成垂直于所述中间线的环路的对齐。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的组件，其特征在于，所述螺旋相对于所述轴的圆柱形表面的横向平面对称地布置在所述圆柱形表面上。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的组件，其特征在于，所述感应式的第一位置传感器（22）和所述第二位置传感器（23）包括共有的初级绕组（28）。

6.一种用于非接触式测量轴（12）的角位置的方法，其使用用于测量轴（12）的角位置的装置和靶（18，20），其中用于测量轴（12）的角位置的所述装置包括支撑件，在所述支撑件上配置有首先初级绕组（28），以及其次彼此反相的至少两个次级绕组（1，4；2，3；5，7，8，10；6，9），以形成第一感应式线性位置传感器（22），其中，所述方法包括以下步骤：

· 在所述轴（12）的外表面上配置螺距相反的两个螺旋（18，20），其中所述螺旋在角度测量范围中彼此隔开预先确定的距离，所述预先确定的距离是所述轴的估计的轴向位移的函数，

· 提供第一感应式线性位置传感器（22），

· 提供第二感应式线性位置传感器（23），其中所述第二感应式线性位置传感器（23）具有至少两个次级绕组，它们彼此反相并且布置在相同的支撑件上，相对于中间线（AA'）与所述第一感应式线性位置传感器的次级绕组相对，以便在每个情况下在所述中间线的每侧上形成图案（M，M'），其中所述初级绕组围绕两个感应式线性位置传感器（22，23）的所述次级绕组，

· 将第一感应式线性位置传感器（22）布置成与第一螺旋（18）相对，以便输送信号，所述信号包括首先表示所述轴（12）的纵向位移的组成部分，以及其次表示其旋转的组成部分，

· 将第二感应式线性位置传感器（23）布置成与第二螺旋（20）相对，以便输送信号，所述信号包括首先表示所述轴（12）的纵向位移的组成部分，以及其次表示其旋转的组成部分，

· 通过结合由所述第一感应式线性位置传感器（22）输送的信号和由所述第二感应式线性位置传感器（23）输送的信号来确定所述轴的角位置，以便消除表示所述轴（12）的平移的组成部分。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，其还允许通过结合由所述第一感应式线性位置传感器（22）输送的信号和由所述第二感应式线性位置传感器（23）输送的信号来测量所述轴的轴向位移，以便消除表示所述轴（12）的旋转的组成部分。

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