RU2378613C2 - Бесконтактный датчик углового положения вала - Google Patents
Бесконтактный датчик углового положения вала Download PDFInfo
- Publication number
- RU2378613C2 RU2378613C2 RU2005120100/28A RU2005120100A RU2378613C2 RU 2378613 C2 RU2378613 C2 RU 2378613C2 RU 2005120100/28 A RU2005120100/28 A RU 2005120100/28A RU 2005120100 A RU2005120100 A RU 2005120100A RU 2378613 C2 RU2378613 C2 RU 2378613C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnet
- rotor
- magnetic
- sensor
- sensitive element
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам преобразования углового положения вала в электрический сигнал. Технический результат: снижение нелинейности выходной характеристики датчика, повышение ее стабильности в условиях наличия производственных погрешностей изготовления деталей, их износа в процессе эксплуатации датчика, влияния внешних магнитных полей и близкорасположенных предметов из ферромагнитных материалов, а также повышение чувствительности датчика к углу поворота вала. Сущность: датчик содержит магниточувствительный элемент 1, расположенный неподвижно в центре кольцевого ротора-магнита 2. Ротор-магнит намагничен радиально со спаданием поля от центра к краям полуколец, при этом у одного его полукольца векторы индукции направлены наружу, а у другого вовнутрь. Направление чувствительности магниточувствительного элемента лежит в плоскости ротора-магнита. Во внутренней полости ротора-магнита неподвижно и симметрично размещены два одинаковых сегмента-магнитопровода 3, образующие немагнитные зазоры с ротором-магнитом и эквидистантную немагнитную щель между собой, перпендикулярную направлению чувствительности магниточувствительного элемента. Вся конструкция помещена соосно в цилиндрический магнитный экран 4. 8 ил.
Description
Данное изобретение относится к линейным электронным устройствам преобразования углового положения вала в электрический сигнал и может быть использовано в различных системах измерения угловых величин, например в измерительных системах автомобиля.
Известно простое линейное устройство преобразования углового положения вала в выходное напряжение, представляющее собой потенциометр, на который подано постоянное напряжение, а выходной сигнал снимается с движка потенциометра [1]. Подобный датчик обладает высокой линейностью преобразования, но из-за износа трущихся подвижной и неподвижной частей недолговечен. Кроме того, непостоянство контакта этих частей при повороте вала приводит к появлению шума в выходном сигнале.
Известен бесконтактный датчик углового положения вала [1], содержащий намагниченный радиально цилиндрический ротор-магнит и расположенный снаружи, рядом с его цилиндрической стенкой, неподвижный магниточувствительный элемент, направление чувствительности которого перпендикулярно оси вращения ротора-магнита и пересекает ее. Кроме того, собственная ось ротора-магнита и ось его вращения рассовмещены, но параллельны друг другу, что позволяет получить зависимую от угла поворота величину зазора между ротором-магнитом и чувствительным элементом. При соответствующем выборе размеров деталей конструкции здесь можно достичь нелинейности выходной характеристики датчика менее 1%. Однако из-за малого расстояния между ротором-магнитом и магниточувствительным элементом, обеспечивающего достаточную для работы магниточувствительного элемента крутизну изменения магнитного поля в точке его расположения, погрешности изготовления деталей и нестабильность закона изменения зазора между магниточувствительным элементом и ротором-магнитом приводят к нестабильности выходной характеристики. Так, например, при зазоре 5 мм и смещении оси вращения ротора-магнита вследствие неточности изготовления и/или износа деталей датчика на величину 0,1 мм относительное отклонение выходного сигнала от исходного значения составит 0,1/5·100=2%. Таким образом, срок службы такого датчика существенно ограничен естественным процессом износа деталей.
Известны бесконтактные датчики углового положения вала, содержащие линейный (например, в виде параллелепипеда) или кольцевой ротор-магнит и неподвижный магниточувствительный элемент, реагирующий на угловое положение вектора магнитной индукции в плоскости, совпадающей с направлением чувствительности магниточувствительного элемента [2]. В этих датчиках используется совместная обработка синусоидального и косинусоидального сигнала магниточувствительного элемента, а зависимость выходного сигнала от величины магнитной индукции устранена. Благодаря этому линейность характеристики датчиков и ее стабильность высокие. Но из-за сложной процедуры математической обработки сигналов магниточувствительного элемента стоимость таких датчиков относительно высокая.
Известен также наиболее близкий к заявляемому и принятый в качестве прототипа бесконтактный датчик углового положения вала, имеющий следующие общие с заявляемым датчиком существенные признаки, а именно: соосный с валом кольцевой ротор-магнит, намагниченный поперек оси так, что у одного его полукольца векторы индукции направлены наружу, а у другого - вовнутрь, а также расположенный неподвижно в центре его внутренней полости магниточувствительный элемент, направление чувствительности которого лежит в плоскости ротора-магнита [1]. Эти признаки являются также достаточными признаками для полного описания прототипа. Этот датчик мало чувствителен к смещению оси ротора-магнита, поскольку магнитное поле в центральной его области однородно. К недостаткам данного датчика следует отнести наличие синусоидальной зависимости выходного сигнала от угла поворота вала. Нелинейность характеристики такого датчика обычно не лучше 6% в диапазоне углов поворота вала ~90 градусов. Для доказательства этого ниже приведен расчет нелинейности датчика-прототипа, преобразующего значения проекции вектора магнитной индукции на направление чувствительности магниточувствительного элемента в выходное напряжение, изменяющееся в диапазоне от 0,52 до 4,4 вольта при изменении углов поворота вала от -45 до +45 градусов относительно направления, перпендикулярного направлению чувствительности. Для идеально линейной характеристики справедлива формула:
где U - текущее значение выходного напряжения датчика;
U1=0,52 В;
U2=4,4 В;
φ1=-45°;
φ2=+45°;
φ - текущее значение угла поворота вала.
Реальные значения выходного напряжения датчика, при условии такой его калибровки, когда начальные и конечные значения его выходного напряжения совпадают с соответствующими значениями выходного напряжения идеально линейного датчика, определяются по формуле:
где Ur - реальное напряжение на выходе датчика;
Br - текущее значение проекции индукции в точке расположения магниточувствительного элемента на его направление чувствительности;
B1 - то же при φ=φ1;
В2 - то же при φ=φ2.
Для проекции вектора индукции с модулем В0 на направлении чувствительности магниточувствительного элемента справедливы выражения:
Br=B0sinφ
B1=B0sinφl
B2=B0sinφ2
Формула для расчета относительной нелинейности датчика-прототипа:
Результаты расчета нелинейности датчика-прототипа представлены в виде графика на фиг.1, откуда видно, что максимум нелинейности характеристики датчика составляет около 7%. В случае радиальной намагниченности ротора магнита суммарная составляющая индукции в направлении чувствительности чувствительного элемента определяется по формуле:
Отсюда видно, что закон изменения полезной составляющей индукции магнитного поля в точке расположения чувствительного элемента - синусоидальный, независимо от того, как намагничен ротор-магнит - диаметрально или радиально. То есть нелинейность датчика-прототипа имеет одинаковые значения при радиальном и диаметральном намагничивании ротора-магнита.
Следует также отметить, что, вследствие зависимости магнитного потока внутри кольцевого ротора-магнита от магнитного сопротивления наружной по отношению к нему среды, на характеристику датчика-прототипа оказывают влияние внешние предметы из ферромагнитных материалов.
Чувствительность прототипа к углу поворота вала невысокая ввиду значительной протяженности пути силовых линий магнитного поля по воздуху.
Каждый из приведенных выше аналогов не удовлетворяет одновременно высоким требованиям к линейности характеристики и к ее устойчивости по отношению к производственным дефектам и естественному износу.
Основная задача, которую решает предлагаемое изобретение, заключается в соединении полезных свойств известных устройств в едином датчике углового положения вала. К этим свойствам относятся: линейность и стабильность характеристики датчика независимо от неточности изготовления и износа его деталей, а также защищенность от влияния близкорасположенных предметов из ферромагнитных материалов и внешних магнитных полей. Кроме того, перед изобретением ставится задача повышения чувствительности датчика к углу поворота вала, что позволило бы снизить требование к величине индукции поля ротора-магнита.
Техническим результатом решения поставленной задачи с помощью предлагаемого изобретения является снижение нелинейности выходной характеристики датчика, повышение ее устойчивости к производственным погрешностям изготовления деталей и их износу в процессе эксплуатации датчика, к влиянию внешних магнитных полей и близкорасположенных предметов из ферромагнитных материалов, а также повышение чувствительности датчика к углу поворота вала.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в известном устройстве датчика углового положения вала, содержащем соосный с валом кольцевой ротор-магнит, намагниченный поперек оси так, что у одного его полукольца векторы индукции направлены наружу, а у другого вовнутрь, а также расположенный неподвижно в центре его внутренней полости магниточувствительный элемент, направление чувствительности которого лежит в плоскости ротора-магнита, ротор-магнит намагничен радиально со спаданием поля от центра к краям каждого полукольца, а в его внутренней полости неподвижно и симметрично размещены два одинаковых сегмента-магнитопровода, образующие немагнитные зазоры с ротором-магнитом, а также эквидистантную немагнитную щель между собой, поперечную направлению чувствительности магниточувствительного элемента, причем вся конструкция помещена соосно в цилиндрический магнитный экран.
К существенным признакам данного изобретения относятся:
- наличие соосного с валом кольцевого ротора-магнита с такой поперечной оси радиальной намагниченностью, при которой векторы индукции одного его полукольца направлены наружу, а другого вовнутрь, причем полукольца намагничены со спаданием поля от их центров к краям;
- наличие неподвижно расположенного в центре ротора-магнита магниточувствительного элемента, чувствительность которого ориентирована в направлении, лежащем в плоскости ротора-магнита;
- наличие пары одинаковых сегментов-магнитопроводов, расположенных неподвижно и симметрично во внутренней полости ротора-магнита и образующих немагнитные зазоры с ротором-магнитом, а также эквидистантную немагнитную щель между собой;
- наличие соосного с датчиком цилиндрического магнитного экрана, охватывающего всю конструкцию датчика.
К существенным отличительным признакам предлагаемого изобретения относятся:
- ротор-магнит намагничен радиально, причем его полукольца намагничены со спаданием намагничивающего поля от их центров к краям;
- наличие пары сегментов-магнитопроводов, размещенных неподвижно, симметрично и соосно во внутренней полости ротора-магнита и образующих немагнитные зазоры с ротором-магнитом, а также эквидистантную немагнитную щель между собой;
- наличие соосного с датчиком цилиндрического магнитного экрана, охватывающего всю конструкцию датчика.
В одном из приведенных аналогов ротор-магнит тоже намагничен радиально, причем эта намагниченность так же, как и в предлагаемом датчике, служит для улучшения линейности характеристики. Однако вся совокупность признаков датчика-аналога, включая радиальную намагниченность ротора-магнита, не обеспечивает получение высокой стабильности характеристики. В предлагаемом же датчике обе проблемы решены положительно. В датчике-прототипе возможно применение радиальной намагниченности. Но линейность характеристики датчика-прототипа не зависит от характера намагниченности. Для него существенным признаком является только намагниченность в плоскости магнита, обеспечивающая наличие ненулевого поля в центре, где расположен магниточувствительный элемент.
Магнитный экран в предлагаемом датчике выполняет несколько функций: во-первых, компенсацию нелинейности характеристики датчика, во-вторых, снижение влияния на характеристику датчика внешних полей и предметов из ферромагнитных материалов, в-третьих, повышение чувствительности датчика к углу поворота вала. Сегменты-магнитопроводы участвуют в линеаризации характеристики датчика и повышении его чувствительности к углу поворота вала.
На фиг.1 показана зависимость относительной нелинейности датчика-прототипа от углового положения вала. Нелинейность обусловлена синусоидальной зависимостью величины проекции вектора магнитной индукции на направление чувствительности магниточувствительного элемента и превышает 6%.
На фиг.2 приведено поперечное сечение предлагаемого датчика, содержащего магниточувствительный элемент 1, ротор-магнит 2, сегменты-магнитопроводы 3 и магнитный экран 4. Примечание: показанное на чертеже деление ротора-магнита на секторы использовалось при моделировании его магнитного поля для случая радиального намагничивания.
На фиг.3, 4 показан ход силовых линий в элементах датчика при среднем положении ротора-магнита и при его повороте на угол 45 градусов.
На фиг.5, 6 приводится распределение векторов магнитной индукции в элементах датчика при среднем положении ротора-магнита и при его повороте на угол 45 градусов. Если ротор-магнит повернуть на угол -45 градусов относительно среднего положения, то направление векторов индукции в щели между сегментами изменится на противоположное.
На фиг.7 приводится расчетная характеристика нелинейности предлагаемого датчика.
На фиг.8 схематически показана зависимость относительного изменения индукции от направления отклонения оси ротора-магнита на величину, равную 0,1 миллиметра, при фиксированном угле поворота ротора-магнита 45 градусов.
В конструкции предлагаемого датчика, схематически представленной на фиг.2 в виде его поперечного оси сечения, между сегментами-магнитопроводами 3, ротором-магнитом 2 и магнитным экраном 4 имеются эквидистантные немагнитные зазоры. Вращающейся частью датчика является только ротор-магнит. Сегменты-магнитопроводы расположены симметрично во внутренней полости ротора-магнита. Причем щель между ними ориентирована в направлении среднего углового положения ротора-магнита, при котором середины его полуколец совпадают с линией продольной симметрии щели. Направление чувствительности магниточувствительного элемента поперечно щели.
В данной конструкции силовые линии магнитного поля кольцевого ротора-магнита (фиг.3, 4) замыкаются через наружные и внутренние немагнитные зазоры и щель, а также через сегменты-магнитопроводы и магнитный экран, выполненные из ферромагнитного материала. Путь каждой силовой линии в общем случае может быть описан следующей последовательностью: наружная цилиндрическая поверхность ротора-магнита - немагнитный зазор между ротором-магнитом и магнитным экраном - магнитный экран - немагнитный зазор между магнитным экраном и ротором-магнитом - наружная поверхность ротора-магнита - внутренняя поверхность ротора-магнита - немагнитный зазор между ротором-магнитом и первым сегментом-магнитопроводом - первый сегмент-магнитопровод - немагнитная щель между первым и вторым сегментами-магнитопроводами - второй сегмент-магнитопровод - немагнитный зазор между вторым сегментом-магнитопроводом и внутренней цилиндрической поверхностью ротора-магнита - наружная цилиндрическая поверхность ротора-магнита. Часть силовых линий замыкается, минуя немагнитную щель между сегментами-магнитопроводами. При вращении ротора-магнита происходит перераспределение магнитных потоков между каналами, проходящими через немагнитную щель и минуя ее. Внутри щели векторы магнитной индукции имеют только одну поперечную щели составляющую, совпадающую с направлением чувствительности магниточувствительного элемента (фиг.5, 6).
При такой конструкции характеристика датчика однозначна в диапазоне углов поворота ротора-магнита ±90 градусов относительно среднего положения. При повороте ротора-магнита в указанном диапазоне углов происходит изменение вектора индукции в щели между сегментами-магнитопроводами как по модулю, так и по направлению. Причем возможны только два взаимно противоположных направления этого вектора, которые, кроме того, поперечны щели.
Линеаризация характеристики датчика достигается совместным применением сегментов-магнитопроводов, магнитного экрана и специального намагничивания ротора-магнита, заключающегося в том, что радиальное поле ротора-магнита должно спадать от центров полуколец к их краям. В отличие от датчика-прототипа упрощенный расчет характеристики предлагаемого датчика невозможен в силу сложного распределения магнитных полей. Поэтому для расчета характеристики датчика применялся метод конечных элементов. В процессе расчетов была произведена оптимизация размеров магнитного экрана при заданных диаметрах ротора-магнита и блока сегментов-магнитопроводов, а также распределения намагничивающего поля для ротора-магнита с точки зрения улучшения линейности характеристики датчика. Для оптимизации распределения поля ротора-магнита применялась весовая функция cos(φ/k), где значение k зависит от геометрических размеров компонентов датчика, а φ есть угол относительно середины полукольца ротора-магнита. Результаты расчета нелинейности характеристики предлагаемого датчика приведены на фиг.7 в виде графика.
Ввиду симметрии конструкции датчика и значительной разницы в величинах зазоров и допусков на них при производстве датчиков или их отклонений в результате износа можно считать, что небольшие смещения оси ротора-магнита приводят к примерно одинаковым по абсолютной величине и противоположным по знаку изменениям двух эквивалентных магнитных сопротивлений, составляющих последовательную цепь с немагнитной щелью между сегментами-магнитопроводами и ротором-магнитом. При этом магнитный поток через щель практически не изменяется, а значит, датчик становится малочувствительным к смещениям оси ротора-магнита.
Результаты расчетов, отраженные на фиг.7, 8, показывают, что нелинейность предлагаемого датчика более чем на порядок меньше нелинейности прототипа, а зависимость характеристики от смещения оси ротора меньше, чем у датчика с наружным размещением магниточувствительного элемента по отношению к ротору-магниту. С точки зрения влияния смещения оси ротора-магнита на выходную характеристику предлагаемый датчик сравним с прототипом, имеющим аналогичную с предлагаемым датчиком эквивалентную схему. Однако при прочих равных условиях предлагаемый датчик обладает из-за наличия внешнего экрана и внутренних сегментов-магнитопроводов значительно большей чувствительностью к углу поворота вала.
Наличие магнитного экрана уменьшает наружное по отношению к нему магнитное поле, создаваемое ротором-магнитом. Это приводит к уменьшению влияния на характеристику датчика внешних предметов из ферромагнитных материалов. Магнитный экран ослабляет также влияние сторонних магнитных полей на эту характеристику.
Таким образом, технический результат, заключающийся в снижении нелинейности характеристики датчика и повышении ее помехоустойчивости в условиях наличия неточности изготовления деталей и их износа в процессе эксплуатации, а также в повышении чувствительности датчика к углу поворота вала, данным изобретением достигается.
Источники информации
1. Сысоева С. Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 1. Потенциометры и датчики Холла - лидеры современного рынка. // Компоненты и технологии, 2005. - №2. - С.52-59.
2. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. - М.: ДМК Пресс, 2001. - С.272-276.
Claims (1)
- Бесконтактный датчик углового положения вала, содержащий соосный с валом кольцевой ротор-магнит, намагниченный поперек оси так, что у одного его полукольца векторы индукции направлены наружу, а у другого - вовнутрь, а также расположенный неподвижно в центре его внутренней полости магниточувствительный элемент, направление чувствительности которого лежит в плоскости ротора-магнита, отличающийся тем, что ротор-магнит намагничен радиально со спаданием поля от центра к краям каждого полукольца, а в его внутренней полости неподвижно и симметрично размещены два одинаковых сегмента-магнитопровода, образующие немагнитные зазоры с ротором-магнитом, а также эквидистантную немагнитную щель между собой, поперечную направлению чувствительности магниточувствительного элемента, причем вся конструкция помещена соосно в цилиндрический магнитный экран.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005120100/28A RU2378613C2 (ru) | 2005-06-28 | 2005-06-28 | Бесконтактный датчик углового положения вала |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005120100/28A RU2378613C2 (ru) | 2005-06-28 | 2005-06-28 | Бесконтактный датчик углового положения вала |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2005120100A RU2005120100A (ru) | 2007-01-10 |
RU2378613C2 true RU2378613C2 (ru) | 2010-01-10 |
Family
ID=37760870
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005120100/28A RU2378613C2 (ru) | 2005-06-28 | 2005-06-28 | Бесконтактный датчик углового положения вала |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2378613C2 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2629691C1 (ru) * | 2016-03-17 | 2017-08-31 | Виктор Андреевич Павлов | Способ автономного определения угловых положений объекта с шестью степенями свободы пространственного движения |
RU226007U1 (ru) * | 2024-02-22 | 2024-05-16 | Акционерное общество "Научно-производственная компания "ТЕКО" | Датчик угла поворота |
-
2005
- 2005-06-28 RU RU2005120100/28A patent/RU2378613C2/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
С.СЫСОЕВА, Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы, Компоненты и технологии, 2005, №2 с.52-59. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2629691C1 (ru) * | 2016-03-17 | 2017-08-31 | Виктор Андреевич Павлов | Способ автономного определения угловых положений объекта с шестью степенями свободы пространственного движения |
RU226007U1 (ru) * | 2024-02-22 | 2024-05-16 | Акционерное общество "Научно-производственная компания "ТЕКО" | Датчик угла поворота |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2005120100A (ru) | 2007-01-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5079816B2 (ja) | 好ましくは擬似正弦的に変化する磁石外形を有する磁気式位置センサ | |
KR101331182B1 (ko) | 360도 범위의 자기 각위치 센서 | |
US9810551B2 (en) | On-axis magnetic field angle sensors, systems and method | |
CN103403499B (zh) | 用于确定运动体的绝对位置的方法和装置 | |
US5159268A (en) | Rotational position sensor with a Hall effect device and shaped magnet | |
US9389099B2 (en) | Multi-turn absolute magnetic encoder | |
US10732009B2 (en) | Angle sensing in an off-axis configuration | |
US10670425B2 (en) | System for measuring angular position and method of stray field cancellation | |
JP6043721B2 (ja) | 改良型位置センサ | |
JP4853496B2 (ja) | 位置検出センサ | |
US10816363B2 (en) | Angular sensor system and method of stray field cancellation | |
US7548060B2 (en) | Magnetic sensor system | |
US20120262162A1 (en) | Bidirectional Magnetic Position Sensor Having Field Rotation | |
EP3151017B1 (en) | Amr speed and direction sensor for use with magnetic targets | |
CN109256905A (zh) | 用于转子位置估计的环形磁体 | |
US10078094B2 (en) | Sensor system for rotational speed measurement having a pole wheel with a linearized magnetic field | |
RU2378613C2 (ru) | Бесконтактный датчик углового положения вала | |
US20100176803A1 (en) | Angle sensor with flux guides, rotatable magnet and magnetic sensor | |
JP5151958B2 (ja) | 位置検出装置およびそれを備えた回転直動モータ | |
US9488461B2 (en) | Rotation angle detection device | |
US20240068840A1 (en) | Contactless position sensor comprising a permanent magnet | |
JP2001091298A (ja) | 非接触磁気式計測装置 | |
CN110260890A (zh) | 用于确定旋转构件的至少一个旋转参数的*** | |
JP2556851B2 (ja) | 磁気抵抗素子 | |
EP4016008A1 (en) | Position sensor with improved magnetic stray field immunity |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140629 |