CN116412745A - 用于检测导电目标的移动的感应式位置传感器和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种感应式位置传感器(1)和用于检测导电目标(2)的移动的方法，具有：至少第一和第二发射器线圈(3，4)，具有相同的形状并且彼此相移；至少一个振荡器(5)，用于生成第一和第二发射器信号(6，7)，第一和第二发射器信号(6，7)具有相同形状并且彼此相移，并且分别被施加到第一发射器线圈(3)和第二发射器线圈(4)；至少一个接收器线圈(8)；以及处理单元(9)，用于确定第一或第二发射器信号(6，7)与在接收器线圈(8)处接收的接收器信号(10)之间的相移；所确定的相移与导电目标(2)在第一发射器线圈和第二发射器线圈(3，4)上方的位置相对应。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于检测导电目标的移动的感应式位置传感器。本发明还涉及一种用于检测导电目标的移动的方法。
背景技术
许多应用需要移动目标(如旋转构件)的位置反馈，例如在电机控制***中。在大多数情况下，附加的位置传感器被安装在电机的旋转轴的一端以生成所需的位置信息。根据现有技术，磁性位置传感器和感应式位置传感器是已知的。由于如电机电缆或电池电缆的载流部件、旋转电机组、电机的定子或如电机制动器的附加装备会引起可能干扰磁场的磁场，因此优选使用感应式位置传感器来提供针对这种磁场的稳健性。
下面列出了公开的技术。
[专利文献1]美国专利号4853604
[专利文献2]美国专利申请号2011/0101968
[专利文献3]美国专利号7045996
[专利文献4]美国专利号7208945
[专利文献5]美国专利申请号2008/0116883
感应式位置传感器实现无磁技术，利用涡流或感应耦合的物理原理来检测在线圈集合上方移动的目标的位置，例如由一个发射器线圈和两个接收器线圈(特别地，正弦接收器线圈和余弦接收器线圈)组成。例如，在专利文献1中公开了这种感应式传感器***。
在三个线圈的实际实现中，一个发射器线圈和两个接收器线圈通常被提供为印刷电路板上的铜迹线。它们被布置为使得发射器线圈在两个接收器线圈中感应出次级电压，该次级电压取决于在接收器线圈上方的导电(例如金属)目标的位置。因此，感应式传感器包括或连接到生成射频信号的振荡器，该射频信号被施加到发射器线圈以产生静态高频磁场。该静态高频磁场由接收器线圈(特别地，正弦接收器线圈和余弦接收器线圈)拾取。根据线圈上方的导电目标的位置，由接收器线圈拾取的次级电压的振幅发生改变，这允许通过分析这种效应来确定目标的位置。例如，通过瞬时正弦信号振幅除以瞬时余弦信号振幅的反正切，来计算目标位置。该计算由连接到位置传感器或位置传感器的组成部分的处理单元执行。
为了处理接收器信号，需要包含解调器、增益级、偏移和增益失配补偿、模数转换器和提供某种形式的反正切计算的数字信号处理单元的复杂电路。
专利文献2公开了一种用于确定可移动元件的位置的感应式位置传感器。位置传感器包括两个子***，每个子***具有两个发射器单元、可移动元件上的LC谐振电路和带有评估单元的接收器线圈。个体子***的处理交替进行。因此，如果一个子***正在操作，则所有其他子***都被去激活。包括LC谐振电路的可移动元件在由两个发射器单元的两个电磁场的重叠生成的总电磁场内旋转。作为响应，LC谐振电路将产生电磁场，该电磁场将被接收器线圈和评估单元接收。
专利文献3公开了一种用于确定设备的位置的方法，包括使用感应元件生成至少两个随时间变化的磁场，其中场具有不同的相位。方法还包括检测在场之上调制的信号，其中该信号从设备生成，以及基于来自设备的信号与基准信号的相位差来确定设备的位置。与专利文献2一样，所公开的方法需要移动设备上的LC谐振电路。
专利文献4公开了一种传感器，包括：激励绕组；信号生成器，可操作以生成激励信号，并且被布置成将生成的激励信号施加到激励绕组；电磁耦合到激励绕组的传感器绕组；以及信号处理器，可操作以处理当激励信号由信号生成器施加到激励绕组时在传感器绕组中生成的周期性电信号，以确定感测参数的值。激励信号包括具有第一频率的周期性载波信号，该周期性载波信号由具有第二频率的周期性调制信号调制，第一频率大于第二频率。以该方式，传感器非常适于使用数字处理技术来生成激励信号和处理在传感器绕组中感应的信号。在一个实施例中，使用该传感器来检测两个构件的相对位置。在其他实施例中，使用该传感器来检测诸如温度和湿度的环境因素。
专利文献5公开了一种感应式传感器设备和用于感应标识的方法，包括：沿着测量范围延伸并且在空间上彼此不同地变化的第一激励电感器和第二激励电感器。第一感应耦合元件和第二感应耦合元件将来自两个激励电感器的信号耦合到接收器电感器中。感应耦合元件被形成为具有第一谐振频率f1和第二谐振频率f2的谐振元件。为了能够简单快速准确地确定两个感应耦合元件的位置，两个激励电感器由不同的传输信号S1、S2驱动。传输信号S1、S2中的每个传输信号包括第一谐振频率f1附近随时间变化的第一载波频率的信号分量，并且包括第二谐振频率f2附近随时间变化的第二载波频率的信号分量。
发明内容
本发明的一个目的是克服现有技术位置传感器的缺点，并且特别是减少模拟域中的信号处理工作，同时保持传感器设计简单。
根据本发明，该目的通过用于检测导电目标的移动的感应式位置传感器来解决，包括：
至少第一发射器线圈和第二发射器线圈，其中第一发射器线圈和第二发射器线圈具有相同的形状并且彼此相移，
至少一个振荡器，用于生成第一发射器信号和第二发射器信号，其中第一发射器信号和第二发射器信号具有相同的形状并且彼此相移，并且分别被施加到第一发射器线圈和第二发射器线圈，
至少一个接收器线圈，
其中导电目标在第一发射器线圈和第二发射器线圈上方移动，以及
处理单元，用于确定第一发射器信号或第二发射器信号与在接收器线圈处接收到的接收器信号之间的相移，其中经确定的相移与导电目标在第一发射器线圈和第二发射器线圈上方的位置对应。
第一发射器线圈和第二发射器线圈连接到用于生成电磁场的至少一个振荡器。特别地，第一发射器线圈连接到第一振荡器，并且第二发射器线圈连接到第二振荡器。由于第一发射器线圈与第二发射器线圈之间的相移以及第一发射器信号与第二发射器信号之间的相移，第一发射器线圈和第二发射器线圈生成旋转电磁发射器场。至少需要两个发射器线圈来生成旋转电磁发射器场。然而，用于生成旋转电磁发射器场的相同原理适用于多于两个的发射器线圈的集合。
生成的旋转电磁发射器场由接收器线圈拾取。如果没有导电目标被放置在第一发射器线圈和第二发射器线圈上方，则由接收器线圈拾取的所得信号为零。如果导电目标被放置在第一发射器线圈和第二发射器线圈上方，则生成的电磁场在导电目标的表面上感应涡流。感应到的涡流生成反磁场，从而将下方的总磁通密度减小。导电目标下方感应到的电压减小，从而在第一发射器场和第二发射器场中产生不平衡。被导电目标覆盖的区域生成较弱的所得磁场，并且未被导电目标覆盖的区域生成较强的所得磁场。根据导电目标的位置，接收器线圈的输出电压在相位上相对于第一发射器信号和第二发射器信号改变。
导电目标的位置可以由处理单元通过检测接收器线圈的信号与第一发射器信号或第二发射器信号之间的相移来直接确定。
根据本发明的位置传感器的优点是模拟和数字信号处理两者都简单得多。无需引入解调器、增益控制、模数转换器(ADC)和数字反正切信号处理，简单的相位测量就足够了。
在本发明的变型中，第一发射器线圈与第二发射器线圈和/或第一发射器信号与第二发射器信号相移90°。具体地，第一发射器线圈是正弦发射器线圈，第二发射器线圈是余弦发射器线圈，第一发射器信号是正弦信号，并且第二发射器信号是余弦信号。
将正弦形信号施加到第一正弦发射器线圈并且将余弦形信号施加到第二余弦发射器线圈(或反之)生成传感器激励信号。正弦振幅和余弦振幅由相同导电目标机械调制，并且与线圈布局有关。单个接收器线圈正生成接收器信号，该接收器信号等于来自两个相移发射器信号的所得磁场之和。通过使用三角‘加法定理’，机械角度或位置‘α’在接收器信号中表现为相移。通过改变激励磁场的极性或线圈布局，可以生成以下信号：
sin(α)cos(ωXt)+cos(α)sin(ωXt)＝sin(α+ωXt)
sin(α)cos(ωXt)-cos(α)sin(ωXt)＝sin(α-ωXt)
cos(α)cos(ωXt)-sin(α)sin(ωXt)＝cos(α-ωXt)
cos(α)cos(ωXt)+sin(α)sin(ωXt)＝cos(α+ωXt)
根据本发明的变型，第一发射器线圈和第二发射器线圈各自包括在相反方向上缠绕的两个导线环路。具体地，第一导线环路在导电目标的移动方向上具有一个或多个周期，并且第二导线环路具有与导电目标的移动方向相反的一个或多个周期。
例如，第一发射器线圈被缠绕为使得它产生两个导线环路A和C，这两个导线环路在相反方向上缠绕，即顺时针和逆时针，具体取决于在它们中流动的电流。例如，第一环路A中的电流逆时针流动，而第二环路C中的电流顺时针流动。将施加到第一发射器线圈的端子的电压的极性反转，也会反转第一环路A和第二环路C中的电流，现在在第一环路A中产生顺时针电流，并且在第二环路C中产生逆时针电流。由第一环路A和第二环路C生成的电磁场始终具有相反的极性。因此，如果没有导电目标被放置在第一发射器线圈上方，则由接收器线圈接收到的接收器信号的电压为零，因为由第一环路A和第二环路C生成的场相互抵消。
由于第二发射器线圈与第一发射器线圈具有相同的形状并且只是相移，因此第二发射器线圈对应地被缠绕为使得它产生两个导线环路B和D，这两个导线环路在相反方向上缠绕，即顺时针和逆时针，具体取决于在它们中流动的电流。例如，第一环路B中的电流逆时针流动，而第二环路D中的电流顺时针流动。将施加到第二发射器线圈的端子的电压的极性反转，也会反转第一环路B和第二环路D中的电流，现在在第一环路B中产生顺时针电流，并且在第二环路D中产生逆时针电流。由第一环路B和第二环路D生成的电磁场始终具有相反的极性。因此，如果没有导电目标被放置在第二发射器线圈上方，则由接收器线圈接收到的接收器信号的电压为零，因为由第一环路B和第二环路D生成的场相互抵消。
根据本发明的变型，第一发射器线圈、第二发射器线圈和至少一个接收器线圈被布置在衬底上，其中第一发射器线圈和第二发射器线圈被叠加。具体地，第一发射器线圈和第二发射器线圈被叠加，并且接收器线圈围绕所叠加的第一发射器线圈和第二发射器线圈。此外，处理单元也可以被布置在衬底上。有利地，衬底是印刷电路板，并且第一发射器线圈、第二发射器线圈和至少一个接收器线圈由衬底上的铜迹线形成。
在本发明的一个变型中，其中感应式位置传感器是径向位置传感器，并且导电目标连接到或可连接到旋转轴，并且第一发射器线圈、第二发射器线圈和至少一个接收器线圈至少部分地围绕旋转轴。
对于径向感应式位置传感器，发射器线圈和接收器线圈被布置在与旋转轴的纵向轴线垂直的平面中。导电目标被附接到旋转轴，并且在径向上延伸，以使导电目标在线圈集合上方移动。该配置也被称为轴向感应式位置传感器，因为线圈集合被布置在轴向平面中。
根据本发明的备选变型，感应式位置传感器是线性运动传感器并且导电目标可以沿移动路径移动，其中第一发射器线圈、第二发射器线圈和至少一个接收器线圈是沿着移动路径来布置的。
根据本发明的一个变型，感应式位置传感器还包括用于检测接收器信号和第一发射器信号或第二发射器信号的过零的过零比较器，并且还包括用于确定接收器信号和第一发射器信号或第二发射器信号的过零之间的延迟的第一计数器。通过检测第一发射器信号或第二发射器信号和接收器信号的过零，可以通过使用第一计数器容易地确定两个信号之间的相位延迟。根据导电目标的位置，接收器信号相对于第一发射器信号和第二发射器信号相移。由于第一发射器信号与第二发射器信号之间的相移是固定的，所以确定第一发射器信号或第二发射器信号与接收器信号之间的相移就足够了。第一发射器信号或第二发射器信号与接收器信号之间的相移与导电目标的位置成正比。
在本发明的变型中，处理单元针对第一发射器信号或第二发射器信号和/或接收器信号的上升沿和下降沿，确定第一发射器信号或第二发射器信号与接收器信号之间的相移。例如，数字计数器将在第一发射器信号或第二发射器信号的正斜率处启动，并且在接收器信号的正斜率处停止。此外，数字计数器可以在第一发射器信号或第二发射器信号的负斜率处启动，并且将在接收器信号的负斜率处停止。
可以使用第二计数器来确定第一发射器信号和/或第二发射器信号的相位，第二计数器在第一发射器信号和/或第二发射器信号的正斜率和/或负斜率处启动，并且在相应的第一发射器信号和/或第二发射器信号的相应的下一个正斜率和/或负斜率处停止。
优选地，第一发射器信号和第二发射器信号是利用确保高相位精确度的数模转换器以数字方式来生成的。优选地，过零比较器是快速且精确的模拟过零比较器。
如果针对正斜率和负斜率测量第一发射器信号或第二发射器信号与接收器信号之间的相位延迟，则结果优选被平均以补偿接收器信号中的潜在偏移：
只要没有一个位置被包裹超过360°，就可以应用该用于平均两个位置的简单公式。如果一个位置被包裹超过360°，则必须添加校正：
如果(位置1-位置2)≤|180°|，则：
如果(位置1-位置2)>|180°|，则：
利用该方法，通过使用过零比较器和计数器，位置或角度分辨率仅取决于时序关系。
该方法的一个潜在缺点是，为了实现计算位置的高分辨率，延迟时间测量需要具有非常高的时钟频率。例如，为了在0°…360°位置范围上实现10位＝1024步的分辨率，延迟时间测量的时钟频率需要比测量信号的频率高1024倍。例如，为了以10位的分辨率测量2MHz信号的相移，需要1024x2MHz＝2048MHz＝2.048GHz的计时器时钟频率。
如果激励FX的频率和数字时钟FDIG的频率遵循以下关系，则可以实现N位位置或角度分辨率：
FDIG≥2N+1*FX
其中FDIG＝计数器时钟频率，并且FX＝发射器振荡器频率。
根据本发明的一个备选变型，感应式位置传感器包括过零比较器，该过零比较器用于检测接收器信号和第一发射器信号或第二发射器信号的过零，并且其中与至少一个振荡器结合的处理单元能够调整第一发射器信号和第二发射器信号的相位，其中处理单元使用过零比较器来改变第一发射器信号和第二发射器信号的相位，直到第一发射器信号或第二发射器信号和接收器信号具有相同的过零，优选地，第二发射器信号相对于第一发射器信号相移90°。
该备选方法基于通过对第一发射器信号和第二发射器信号应用‘相位延迟β’进行的数字相位补偿。在该变型中不需要计数器。如果‘接收相位窗口’与数字生成的内部激励相位(即第一发射器信号或第二发射器信号的相位)完全匹配，则检测到‘相同相位’条件。该条件可以例如由异或逻辑组件检测。根据该变型，内部相位延迟通过使用同步过零比较器值来快速跟踪接收器信号。以下等式描述了该过程：
sin(α)cos(ωXt+β)+cos(α)sin(ωXt+β)＝sin(α+ωXt+β)
Sin(α+ωXt+β)≡sin(ωXt)，if`α＝-β′
在该变型中，通过减少相移测量以仅检测0度的相移，克服了直接相位测量所需的高频计时器时钟的潜在缺点。这可以通过移动发射器信号的相位，直到它与接收器信号对齐来实现，在该情况下，第一发射器信号和第二发射器信号之间的相移为0°。
接收器信号与第一发射器信号或第二发射器信号之间的相移取决于导电目标的位置以及第一发射器信号和第二发射器信号的相位。如果发射器信号的相位是固定的，则目标从≥0°到<360°旋转也会导致第一发射器信号、第二发射器信号和接收器信号之间的从≥0°到<360°的相移。因此，在导电目标的给定固定位置处，如果第一发射器信号和第二发射器信号的相位从≥0°到<360°改变，它将同样从≥0°到<360°改变第一发射器信号或第二发射器信号与接收器信号之间的相移。在该变型中，在第二发射器信号始终相移90°的情况下，通过改变第一发射器信号和第二发射器信号的相位直到它与接收器信号对齐，或者换句话说直到第一发射器信号或第二发射器信号与接收器信号之间的相移为零，利用了后一种效应。
该变型不需要高频计数器。相反，它对第一发射器信号的相位以及相对于第一发射器信号相移90°的第二发射器信号的相位进行旋转，直到第一发射器信号或第二发射器信号与接收器信号的相位对齐。在第一发射器信号或第二发射器信号与接收器信号对齐之后，通过找到第一发射器信号和第二发射器信号之间的最小电压差，对应的发射器相位表示导电目标位置。
在本发明的一个优选实施例中，感应式位置传感器还包括用于接收器信号的极性反转器，其中处理单元针对接收器信号的原始极性和反转极性确定第一发射器信号或第二发射器信号与接收器信号之间的相移，并且计算平均以补偿接收器信号中的DC偏移。这避免了接收器信号上的DC偏移造成的误差，DC偏移会影响相位窗口的长度，并且因此引起计算位置中的误差。因此，相位比较被执行两次，其中接收器信号的正常极性产生‘位置1’，并且接收器信号的反转极性产生‘位置2’，其中反转信号是360°的剩余位置，并且‘位置3’＝360°-‘位置2’。
与其他变型一样，超过360°的潜在包裹必须被纠正。当两个计算位置之间的绝对差>180°时，+360°的偏移必须被添加到两个信号之和：
如果(位置1-位置3)≤|180°|，则：
如果(位置1-位置3)>|180°|，则：
该目的还通过一种用于检测导电目标的移动的方法来解决，特别地，使用根据本发明的感应式位置传感器来检测。方法包括以下步骤：
将第一发射器信号施加到第一发射器线圈，并且将第二发射器信号施加到第二发射器线圈，其中第一发射器线圈和第二发射器线圈具有相同形状并且彼此相移，并且其中第一发射器信号和第二发射器信号具有相同形状并且彼此相移，
在接收器线圈处接收接收器信号，以及
确定第一发射器信号或第二发射器信号与接收器信号之间的相移，其中经确定的相移与导电目标在第一发射器线圈和第二发射器线圈上方的位置相对应。
由于第一发射器线圈和第二发射器线圈之间的相移以及第一发射器信号和第二发射器信号之间的相移，第一发射器线圈和第二发射器线圈生成旋转电磁发射器场。至少需要两个发射器线圈来生成旋转电磁发射器场。然而，用于生成旋转电磁发射器场的相同原理适用于两个以上发射器线圈的集合。
优选地，第一发射器信号和第二发射器信号分别由第一振荡器和第二振荡器生成。
生成的旋转电磁发射器场由接收器线圈拾取。如果没有导电目标被放置在第一发射器线圈和第二发射器线圈上方，则由接收器线圈拾取的所得信号为零。如果导电目标被放置在第一发射器线圈和第二发射器线圈上方，则生成的电磁场在导电目标的表面上感应涡流。感应涡流生成反磁场，从而将下方的总磁通密度减小。导电目标下方感应的电压减小，从而在第一发射器场和第二发射器场中产生不平衡。被导电目标覆盖的区域生成较弱的所得磁场，并且未被导电目标覆盖的区域生成较强的所得磁场。根据导电目标的位置，接收器线圈的输出电压在相位上相对于第一发射器信号和第二发射器信号改变。
导电目标的位置可以通过检测接收器线圈的接收器信号与第一发射器信号或第二发射器信号之间的相移来直接确定。
根据本发明的方法的优点是模拟和数字信号处理两者都简单得多。无需引入解调器、增益控制、模数转换器(ADC)和数字反正切信号处理，简单的相位测量就足够了。
在本发明的变型中，第一发射器线圈与第二发射器线圈和/或第一发射器信号与第二发射器信号相移90°。具体地，第一发射器线圈是正弦发射器线圈，第二发射器线圈是余弦发射器线圈，第一发射器信号是正弦信号，并且第二发射器信号是余弦信号。
将正弦形信号施加到第一正弦发射器线圈并且将余弦形信号施加到第二余弦发射器线圈(或反之)生成传感器激励信号。正弦振幅和余弦振幅由相同导电目标机械调制，并且与线圈布局有关。单个接收器线圈不断生成接收器信号，该接收器信号等于来自两个相移发射器信号的所得磁场之和。通过使用三角‘加法定理’，机械角度或位置‘α’在接收器信号中表现为相移。通过改变激励磁场的极性或线圈布局，可以生成以下信号：
sin(α)cos(ωXt)+cos(α)sin(ωXt)＝sin(α+ωXt)
sin(α)cos(ωXt)-cos(α)sin(ωXt)＝sin(α-ωXt)
cos(α)cos(ωXt)-sin(α)sin(ωXt)＝cos(α-ωXt)
cos(α)cos(ωXt)+sin(α)sin(ωXt)＝cos(α+ωXt)
根据本发明的变型，第一发射器线圈和第二发射器线圈各自包括在相反方向上缠绕的两个导线环路。具体地，第一导线环路在导电目标的移动方向上具有一个或多个周期，并且第二导线环路具有与导电目标的移动方向相反的一个或多个周期。
例如，第一发射器线圈被缠绕为使得它产生两个导线环路A和C，这两个导线环路在相反方向上缠绕，即顺时针和逆时针，具体取决于在它们中流动的电流。例如，第一环路A中的电流逆时针流动，而第二环路C中的电流顺时针流动。将施加到第一发射器线圈的端子的电压的极性反转，也会反转第一环路A和第二环路C中的电流，现在在第一环路A中产生顺时针电流，并且在第二环路C中产生逆时针电流。由第一环路A和第二环路C生成的电磁场始终具有相反的极性。因此，如果没有导电目标被放置在第一发射器线圈上方，则由接收器线圈接收的接收器信号的电压为零，因为由第一环路A和第二环路C生成的场相互抵消。
由于第二发射器线圈与第一发射器线圈具有相同的形状并且只是相移，因此第二发射器线圈对应地被缠绕为使得它产生两个导线环路B和D，这两个导线环路在相反方向上缠绕，即顺时针和逆时针，具体取决于在它们中流动的电流。例如，第一环路B中的电流逆时针流动，而第二环路D中的电流顺时针流动。将施加到第二发射器线圈的端子的电压的极性反转，也会反转第一环路B和第二环路D中的电流，现在在第一环路B中产生顺时针电流，并且在第二环路D中产生逆时针电流。由第一环路B和第二环路D生成的电磁场始终具有相反的极性。因此，如果没有导电目标被放置在第二发射器线圈上方，则由接收器线圈接收的接收器信号的电压为零，因为由第一环路B和第二环路D生成的场相互抵消。
根据本发明的变型，第一发射器线圈、第二发射器线圈和至少一个接收器线圈被布置在衬底上，其中第一发射器线圈和第二发射器线圈被叠加。具体地，第一发射器线圈和第二发射器线圈被叠加，并且接收器线圈围绕叠加的第一发射器线圈和叠加的第二发射器线圈。此外，处理单元也可以被布置在衬底上。有利地，衬底是印刷电路板，并且第一发射器线圈、第二发射器线圈和至少一个接收器线圈由衬底上的铜迹线形成。
在本发明的变型中，方法检测连接到旋转轴的导电目标的旋转移动，其中第一发射器线圈、第二发射器线圈和至少一个接收器线圈至少部分地围绕旋转轴。
根据本发明的备选变型，方法检测导电目标沿移动路径的线性运动，其中第一发射器线圈、第二发射器线圈和至少一个接收器线圈沿着移动路径布置。
根据本发明的变型，方法还包括以下步骤：检测第一发射器信号或第二发射器信号和接收器信号的过零，以及优选地基于计数器信号，确定第一发射器信号或第二发射器信号的过零与接收器信号的过零之间的延迟。通过检测第一发射器信号或第二发射器信号和接收器信号的过零，可以通过使用计数器容易地确定两个信号之间的相位延迟。根据导电目标的位置，接收器信号相对于第一发射器信号和第二发射器信号相移。由于第一发射器信号与第二发射器信号之间的相移是固定的，所以确定第一发射器信号或第二发射器信号与接收器信号之间的相移就足够了。第一发射器信号或第二发射器信号与接收器信号之间的相移与导电目标的位置成正比。
在本发明的变型中，方法包括以下步骤：检测第一发射器信号或第二发射器信号和/或接收器信号的上升沿和下降沿，以及针对第一发射器信号或第二发射器信号和/或接收器信号的上升沿和下降沿，确定第一发射器信号或第二发射器信号与接收器信号之间的相移。例如，数字计数器将在第一发射器信号或第二发射器信号的正斜率处启动，并且在接收器信号的正斜率处停止。此外，数字计数器可以在第一发射器信号或第二发射器信号的负斜率处启动，并且将在接收器信号的负斜率处停止。
可以使用第二计数器来确定第一发射器信号和/或第二发射器信号的相位，第二计数器在第一发射器信号和/或第二发射器信号的正斜率和/或负斜率处启动，并且在相应的第一发射器信号和/或第二发射器信号的相应的下一个正斜率和/或负斜率处停止。
优选地，第一发射器信号和第二发射器信号利用确保高相位精确度的数模转换器以数字方式来生成。优选地，过零比较器是快速且精确的模拟过零比较器。
如果针对正斜率和负斜率测量第一发射器信号或第二发射器信号与接收器信号之间的相位延迟，则结果优选被平均以补偿接收器信号中的潜在偏移：
只要没有一个位置被包裹超过360°，就可以应用该用于平均两个位置的简单公式。如果一个位置被包裹超过360°，则必须添加校正：
如果(位置1-位置2)≤|180°|，则：
如果(位置1-位置2)>|180°|，则：
利用该方法，通过使用过零比较器和计数器，位置或角度分辨率仅取决于时序关系。
该方法的一个潜在缺点是，为了实现计算位置的高分辨率，延迟时间测量需要具有非常高的时钟频率。例如，为了在0°…360°位置范围上实现10位＝1024步的分辨率，延迟时间测量的时钟频率需要比测量信号的频率高1024倍。例如，为了以10位的分辨率测量2MHz信号的相移，需要1024x2MHz＝2048MHz＝2.048GHz的计时器时钟频率。
如果激励FX的频率和数字时钟FDIG的频率遵循以下关系，则可以实现N位位置或角度分辨率：
FDIG≥2N+1*FX
其中FDIG＝计数器时钟频率，并且FX＝发射器振荡器频率。
根据本发明的可选变型，方法还包括以下步骤：检测第一发射器信号或第二发射器信号和接收器信号的过零，以及调整第一发射器信号和第二发射器信号的相位，其中第一发射器信号和第二发射器信号的相位被改变，直到第一发射器信号或第二发射器信号与接收器信号具有相同的过零，优选地，第二发射器信号相对于第一发射器信号相移90°。
该备选方法基于通过对第一发射器信号和第二发射器信号应用‘相位延迟β’进行的数字相位补偿。在该变型中不需要计数器。如果‘接收相位窗口’与数字生成的内部激励相位(即第一发射器信号或第二发射器信号的相位)完全匹配，则检测到‘相同相位’条件。该条件可以例如由异或逻辑组件检测。根据该变型，内部相位延迟通过使用同步过零比较器值来快速跟踪接收器信号。以下等式描述了该过程：
sin(α)cos(ωXt+β)+cos(α)sin(ωXt+β)＝sin(α+ωXt+β)
sin(α+ωXt+β)≡sin(ωXt)，if`α＝-β′
在该变型中，通过减少相移测量以仅检测0°的相移，克服了直接相位测量所需的高频计时器时钟的潜在缺点。这可以通过移动发射器信号的相位，直到它与接收器信号对齐来实现，在该情况下，两个信号之间的相移为0°。
接收器信号与第一发射器信号或第二发射器信号之间的相移取决于导电目标的位置以及第一发射器信号和第二发射器信号的相位。如果发射器信号的相位是固定的，则目标从≥0°到<360°旋转也会导致发射器信号和接收器信号之间的从≥0°到<360°的相移。因此，在导电目标的给定固定位置处，如果第一发射器信号和第二发射器信号的相位从≥0°到<360°改变，它将同样从≥0°到<360°改变第一发射器信号或第二发射器信号与接收器信号之间的相移。在该变型中，在第二发射器信号始终相移90°的情况下，通过改变第一发射器信号和第二发射器信号的相位直到它与接收器信号对齐，或者换句话说直到第一发射器信号或第二发射器信号与接收器信号之间的相移为零，利用了后一种效应。
该变型不需要高频计数器。相反，它对第一发射器信号的相位和第二发射器信号的相位进行旋转，直到第一发射器信号或第二发射器信号与接收器信号的相位对齐。在第一发射器信号或第二发射器信号与接收器信号对齐之后，通过找到第一发射器信号或第二发射器信号与接收器信号之间的最小电压差，对应的发射器相位代表目标位置。
在本发明的一个优选实施例中，方法包括以下步骤：将接收器信号的极性反转；以及针对接收器信号的原始极性和反转极性确定第一发射器信号或第二发射器信号与接收器信号之间的相移，并且计算平均以补偿接收器信号中的DC偏移。这避免了接收器信号上的DC偏移造成的误差，DC偏移会影响相位窗口的长度，并且因此引起计算位置中的误差。因此，相位比较被执行两次，其中接收器信号的正常极性产生‘位置1’，并且接收器信号的反转极性产生‘位置2’，其中反转信号是360°的剩余位置，并且‘位置3’＝360°-‘位置2’。
与其他变型一样，超过360°的潜在包裹必须被纠正。当两个计算位置之间的绝对差>180°时，+360°的偏移必须被添加到计算的‘位置1’和计算的‘位置3’之和：
如果(位置1-位置3)≤|180°|，则：
如果(位置1-位置3）＞|180°|，则：
根据现有技术和本发明，导电目标可以是任何种类的金属，诸如铝、钢或具有印刷铜层的印刷电路板。通常，感应式位置传感器包括金属目标。
附图说明
在下文中，将关于附图中所示的实施例对本发明进行进一步说明。附图示出：
图1是根据本发明的感应式位置传感器的第一实施例的框图，
图2根据本发明的感应式位置传感器的发射器线圈和接收器线圈的不同状况，
图3是导电目标在0°处的感应式位置传感器的示例性发射器信号和接收器信号，
图4是导电目标在90°处的感应式位置传感器的示例性发射器信号和接收器信号，
图5是导电目标在180°处的感应式位置传感器的示例性发射器信号和接收器信号，
图6是导电目标在270°处的感应式位置传感器的示例性发射器信号和接收器信号，
图7是根据本发明的感应式位置传感器的第二实施例的框图，
图8是根据本发明的感应式位置传感器的第三实施例的框图，以及
图9是根据本发明的感应式位置传感器的第四实施例的框图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的用于检测导电目标2的移动的感应式位置传感器1的第一实施例的框图。图1中所示的感应式位置传感器1是检测导电目标2的旋转移动的径向位置传感器。导电目标2例如是金属板，该金属板在导电目标2的旋转轴线周围覆盖180°。
感应式位置传感器1包括第一发射器线圈3和第二发射器线圈4。第一发射器线圈3和第二发射器线圈4具有相同的形状并且彼此相移。特别地，第一发射器线圈3和第二发射器线圈4被相移90°，如对于第一正弦发射器线圈3和第二余弦发射器线圈4。导电目标2在第一发射器线圈3和第二发射器线圈4上方移动。
第一发射器线圈3和第二发射器线圈4中的每个发射器线圈包括在相反方向上缠绕的两个导线环路(A，B，C，D)，如将在下面关于图2详细解释的。
图1中所示的根据第一实施例的感应式位置传感器1包括用于第一发射器线圈3的第一振荡器5A和用于第二发射器线圈4的第二振荡器5B。连接到第一发射器线圈3的第一振荡器5A生成第一发射器信号6，并且连接到第二发射器线圈4的第二振荡器5B生成第二发射器信号7。第一发射器信号6和第二发射器信号7具有相同的形状并且彼此相移。优选地，第一发射器信号6和第二发射器信号7偏移90°，如在第一正弦发射器信号6和第二余弦发射器信号7的情况中那样。第一发射器信号6被施加到第一发射器线圈3，并且第二发射器信号7被施加到第二发射器线圈4。
图1的感应式位置传感器1还包括接收器线圈8。接收器线圈8围绕第一发射器线圈3和第二发射器线圈4。
第一发射器线圈3、第二发射器线圈4和接收器线圈8部分地被导电目标2覆盖。施加到第一发射器线圈3的第一发射器信号6和施加到第二发射器线圈4的第二发射器信号7生成叠加的电磁场。该电磁场由接收器线圈8拾取，接收器线圈8又提供接收器信号10。接收器信号10取决于导电目标2的位置，因为由第一发射器线圈3和第二发射器线圈4生成的叠加电磁场在导电目标2中感应出涡流，这又改变了由接收器线圈8拾取的电磁场。具体地，接收器信号10的相位随着导电目标2的位置而改变。
第一发射器线圈3、第二发射器线圈4和接收器线圈8被布置在衬底11上。衬底11例如是印刷电路板，并且第一发射器线圈3、第二发射器线圈4和接收器线圈8由衬底上的铜迹线形成。第一发射器线圈3和第二发射器线圈4被叠加，以生成叠加的电磁场。例如，第一发射器线圈3和第二发射器线圈4被布置在衬底11的相同区域中，但在不同的层上。
图1的感应式位置传感器1还包括处理单元9，用于检测第一发射器信号6或第二发射器信号7与在接收器线圈8处接收的接收器信号10之间的相移。由于第一发射器信号6和第二发射器信号7之间的相移是固定的，即不改变，检测第一发射器信号6或第二发射器信号7与接收器信号10之间的相移就足够了。所确定的相移与导电目标2在第一发射器线圈3和第二发射器线圈4上方的位置相对应。
第一发射器信号6或第二发射器信号7与接收器信号10之间的相移可以通过现有技术中已知的不同方法来确定。例如，可以使用过零比较器13来检测第一发射器信号6或第二发射器信号7的过零和接收器信号10的过零。基于第一发射器信号6或第二发射器信号7的过零和接收器信号10的过零，可以确定相移，如将在下面更详细地解释的。
优选地，第一振荡器5A和第二振荡器5B、过零比较器13、处理单元9和可选的另外的模拟信号处理组件16(如滤波器、增益设置电路等)被包含在集成电路(IC)芯片15中，集成电路(IC)芯片15也被布置在衬底11上，特别地被焊接在衬底11上。
图2示出了根据本发明的感应式位置传感器1的发射器线圈3、发射器线圈4和接收器线圈8的不同状况。
图2a示出了第一发射器线圈3和接收器线圈8。为了清楚起见，在图2a中忽略了第二发射器线圈4。第一发射器线圈3包括在相反方向(顺时针和逆时针，具体取决于在它们中流动的电流)上缠绕的两个导线环路A和C。例如，在图2a中，环路A中的电流逆时针流动，而在环路C中，电流顺时针流动。如图2b中所示，将施加到第一发射器线圈3的端子的电压的极性反转也会将电流反转，这在环路A中产生顺时针电流，并且在环路C中产生逆时针电流。
通过应用“左手定则”，可以看出，在环路A和C中生成的场始终具有相反的极性。符号⊙指示从视平面流出的正磁场，并且符号
指示流入到视平面中的负磁场。因此，如果没有导电目标2被放置在第一发射器线圈3上方或下方，则由围绕第一发射器线圈3和第二发射器线圈4的次级接收器线圈8拾取的所得次级电压VRX为零，因为两个场A和C相互抵消。
图2c示出了第二发射器线圈4和接收器线圈8。为了清楚起见，在图2c中忽略了第一发射器线圈3。第二发射器线圈4包括在相反方向(顺时针和逆时针，具体取决于在它们中流动的电流)上缠绕的两个导线环路B和D。例如，在图2c中，环路B中的电流逆时针流动，而在环路D中电流顺时针流动。如图2d所示，将施加到第二发射器线圈4的端子的电压的极性反转也将电流反转，这在环路B中产生顺时针电流，并且在环路D中产生逆时针电流。
通过应用“左手定则”，可以看出，在环路B和环路D中生成的场始终具有相反的极性。符号⊙指示从视平面流出的正磁场，并且符号
指示流入到视平面中的负磁场。因此，如果没有导电目标2被放置在第二发射器线圈4上方或下方，则由围绕第一发射器线圈3和第二发射器线圈4的接收器线圈8拾取的所得次级电压VRX为零，因为两个场B和D相互抵消。
通过叠加第一发射器线圈3和第二发射器线圈4，以及将第一发射器信号6施加到第一发射器线圈3并且将90°相移的第二发射器信号7施加到第二发射器线圈4，旋转磁场被生成。只要没有导电目标2被放置在第一发射器线圈3和第二发射器线圈4上方或下方，接收器信号10就保持为零，因为组合的所有场彼此抵消。
图3示出了导电目标2在0°处的感应式位置传感器1的第一发射器信号6和第二发射器信号7和接收器信号10的示例。
图4示出了导电目标2在90°处的感应式位置传感器1的第一发射器信号6和第二发射器信号7和接收器信号10的示例。
图5示出了导电目标2在180°处的感应式位置传感器1的第一发射器信号6和第二发射器信号7和接收器信号10的示例。
图6示出了导电目标2在270°处的感应式位置传感器1的第一发射器信号6和第二发射器信号7和接收器信号10的示例。
如从图3至图6可以看出的，接收器信号10的相位随着导电目标2在第一发射器线圈3、第二发射器线圈4和接收器线圈8上方的位置而连续改变。通过确定接收器信号10相对于第一发射器信号6或第二发射器信号7任一个的相移，导电目标2的位置都是已知的。
图7示出了根据本发明的感应式位置传感器1的第二实施例的框图。图7中所示的感应式位置传感器1是线性运动位置传感器。导电目标2可以沿移动路径12移动，并且第一发射器线圈3、第二发射器线圈4和接收器线圈8沿着移动路径12布置。对于图1中所示的感应式位置传感器1，移动路径12可以被分为360步，即从0°至360°。然而，移动路径12可以备选地基于任何其他长度尺度来进行划分。
在所有其他方面，图7中所示的第二实施例对应于图1中所示的第一实施例。
图8示出了根据本发明的感应式位置传感器1的第三实施例的框图。该实施例与图1中所示的第一实施例的不同之处在于，使用计数器14来确定第一发射器信号6或第二发射器信号7与接收器信号10之间的相移。计数器14例如在第一发射器信号6的上升沿或下降沿在过零处时启动，并且当接收器信号10的相应上升沿或下降沿具有其过零时停止。
图9示出了根据本发明的感应式位置传感器1的第四实施例的框图。根据该第四实施例，处理单元9结合第一振荡器5A和第二振荡器5B可以调整第一发射器信号6和第二发射器信号7的相位。处理单元9使用过零比较器13来改变第一发射器信号6和第二发射器信号7(优选地，其相对于第一发射器信号6相移90°)的相位，直到第一发射器信号6或第二发射器信号7与接收器信号10具有相同的过零。通过调整第一振荡器5A和第二振荡器5B而被施加到第一发射器信号6和第二发射器信号7的相位改变与导电目标2的位置相对应。
附图标记的列表
1 感应式位置传感器
2 导电目标
3 第一发射器线圈
4 第二发射器线圈
5A 第一振荡器
5B 第二振荡器
6 第一发射器信号(正弦信号)
7 第二发射器信号(余弦信号)
8 接收器线圈
9 处理单元
10 接收器信号
11 衬底(印刷电路板)
12 移动路径
13 过零比较器
14 计算器
15 集成电路(IC)芯片
16 模拟信号处理组件
A 第一导线环路(第一发射器线圈)
B 第一导线环路(第二发射器线圈)
C 第二导线环路(第一发射器线圈)
D 第二导线环路(第二发射器线圈)
Claims (15)
1.一种感应式位置传感器(1)，用于检测导电目标(2)的移动，包括：
至少第一发射器线圈(3)和第二发射器线圈(4)，其中所述第一发射器线圈(3)和所述第二发射器线圈(4)具有相同的形状并且彼此相移，
至少一个振荡器(5)，用于生成第一发射器信号(6)和第二发射器信号(7)，其中所述第一发射器信号(6)和所述第二发射器信号(7)具有相同的形状并且彼此相移，并且分别被施加到所述第一发射器线圈(3)和所述第二发射器线圈(4)，
至少一个接收器线圈(8)，
其中所述导电目标(2)在所述第一发射器线圈(3)和所述第二发射器线圈(4)上方移动，以及
处理单元(9)，用于确定所述第一发射器信号(6)或所述第二发射器信号(7)与在所述接收器线圈(8)处接收到的接收器信号(10)之间的相移，其中经确定的所述相移与所述导电目标(2)在所述第一发射器线圈(3)和所述第二发射器线圈(4)上方的位置相对应。
2.根据权利要求1所述的感应式位置传感器(1)，
其中所述第一发射器线圈(3)与第二发射器线圈(4)和/或所述第一发射器信号(6)与所述第二发射器信号(7)相移90°。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的感应式位置传感器(1)，
其中所述第一发射器线圈(3)和所述第二发射器线圈(4)各自包括在相反方向上缠绕的两个导线环路(A，B，C，D)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的感应式位置传感器(1)，
其中所述第一发射器线圈(3)、所述第二发射器线圈(4)和所述至少一个接收器线圈(8)被布置在衬底(11)上，其中所述第一发射器线圈(3)和所述第二发射器线圈(4)被叠加。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的感应式位置传感器(1)，
其中所述感应式位置传感器(1)是径向位置传感器，并且所述导电目标(2)连接或可连接到旋转轴，并且所述第一发射器线圈(3)、所述第二发射器线圈(4)和所述至少一个接收器线圈(8)至少部分地围绕所述旋转轴，或者
其中所述感应式位置传感器(1)是线性运动传感器，并且所述导电目标(2)能够沿移动路径(12)移动，其中所述第一发射器线圈(3)、所述第二发射器线圈(4)和所述至少一个接收器线圈(8)是沿所述移动路径(12)来布置的。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的感应式位置传感器(1)，还包括过零比较器(13)，用于检测所述接收器信号(10)和所述第一发射器信号(6)或所述第二发射器信号(7)的过零，并且还包括计数器(14)，用于确定所述接收器信号(10)和所述第一发射器信号(6)或所述第二发射器信号(7)的过零之间的延迟，其中优选地，所述处理单元(9)针对所述第一发射器信号(6)或所述第二发射器信号(7)和/或所述接收器信号(10)的上升沿和下降沿，确定所述第一发射器信号(6)或所述第二发射器信号(7)与所述接收器信号(10)之间的所述相移。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的感应式位置传感器(1)，还包括：
过零比较器(13)，用于检测所述接收器信号(10)和所述第一发射器信号(6)或所述第二发射器信号(7)的过零，并且
其中所述处理单元(9)与所述至少一个振荡器(5A或5B)结合能够调整所述第一发射器信号(6)和所述第二发射器信号(7)的相位，
其中所述处理单元(9)使用所述过零比较器(13)来改变所述第一发射器信号(6)和所述第二发射器信号(7)的所述相位，直到所述第一发射器信号(6)或所述第二发射器信号(7)与所述接收器信号(10)具有相同的过零，优选地，所述第二发射器信号(7)相对于所述第一发射器信号(6)相移90°。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的感应式位置传感器(1)，还包括用于所述接收器信号(10)的极性反转器，
其中所述处理单元(9)针对所述接收器信号(10)的原始极性和反转极性确定所述第一发射器信号(6)或所述第二发射器信号(7)与所述接收器信号(10)之间的所述相移，并且计算平均以补偿所述接收器信号(10)中的DC偏移。
9.一种使用根据权利要求1至8中任一项所述的感应式位置传感器(1)来检测导电目标(2)的移动的方法，包括以下步骤：
将第一发射器信号(6)施加到第一发射器线圈(3)，并且将第二发射器信号(7)施加到第二发射器线圈(4)，其中所述第一发射器线圈(3)和所述第二发射器线圈(4)具有相同的形状并且彼此相移，并且其中所述第一发射器信号(6)和所述第二发射器信号(7)具有相同的形状并且彼此相移，
在接收器线圈(8)处接收接收器信号(10)，以及
确定所述第一发射器信号(6)或所述第二发射器信号(7)与所述接收器信号(10)之间的相移，其中经确定的所述相移与所述导电目标(2)在所述第一发射器线圈(3)和所述第二发射器线圈(4)上方的位置相对应。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一发射器线圈(6)和所述第二发射器线圈(7)各自包括在相反方向上缠绕的两个导线环路(A，B，C，D)。
11.根据权利要求9至10中任一项所述的方法，其中所述第一发射器线圈(6)、所述第二发射器线圈(7)和所述至少一个接收器线圈(8)被布置在衬底(11)上，其中所述第一发射器线圈(3)和所述第二发射器线圈(4)被叠加。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中所述方法检测所述导电目标(2)绕旋转轴的旋转移动，其中所述第一发射器线圈(3)、所述第二发射器线圈(4)和所述至少一个接收器线圈(8)至少部分地围绕所述旋转轴，或者其中所述方法检测所述导电目标(2)沿移动路径(12)的线性运动，其中所述第一发射器线圈(3)、所述第二发射器线圈(4)和所述至少一个接收器线圈(8)是沿所述移动路径(12)来布置的。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，包括以下步骤：检测所述接收器信号(10)和所述第一发射器信号(6)或所述第二发射器信号(7)的过零；以及基于计数器信号，确定所述接收器信号(10)和所述第一发射器信号(6)或所述第二发射器信号(7)的所述过零之间的延迟，优选地还包括以下步骤：检测所述第一发射器信号(6)或所述第二发射器信号(7)和/或所述接收器信号(10)的上升沿和下降沿；以及针对所述第一发射器信号(6)或所述第二发射器信号(7)和/或所述接收器信号(10)的上升沿和下降沿，确定所述第一发射器信号(6)或所述第二发射器信号(7)与所述接收器信号(10)之间的所述相移。
14.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，还包括以下步骤：检测所述接收器信号(10)和所述第一发射器信号(6)或所述第二发射器信号(7)的过零；以及调整所述第一发射器信号(6)和所述第二发射器信号(7)的相位，其中所述第一发射器信号(6)和所述第二发射器信号(7)的所述相位被改变，直到所述第一发射器信号(6)或所述第二发射器信号(7)与所述接收器信号(10)具有相同的过零，优选地，所述第二发射器信号(7)相对于所述第一发射器信号(6)相移90°。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，还包括以下步骤：将所述接收器信号(10)的极性反转；以及针对所述接收器信号(10)的原始极性和反转极性确定所述第一发射器信号(6)或所述第二发射器信号(7)与所述接收器信号(10)之间的所述相移，并且计算平均以补偿所述接收器信号(10)中的DC偏移。
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