CN117404995A - 用于检测位置的感应式传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于检测位置的感应式传感器，包括：振荡器电路，其生成周期性AC电压信号并将其耦合到激励线圈中；接收线圈对，包括第一接收线圈和第二接收线圈，第一接收线圈和第二接收线圈各自形成周期性重复的回路结构，并且其布置整体上形成接收几何形状，激励线圈被布置为基于所耦合的AC电压信号在每个接收线圈中感应出信号；评估电路，用于基于接收线圈中感应出的信号输出取决于待检测的位置的传感器信号；可移动耦合元件，其根据待检测的位置来影响激励线圈和接收线圈之间的感应耦合的强度，其中，接收线圈对中的接收线圈位于在其间具有中间空间的几何位置，且接收线圈彼此电连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据感应式传感器。
背景技术
在迈来芯公司的L.Lugani等人于2021年发表的“用于电机的高速感应式位置传感器(High speed inductive position sensor for E-machines)”中已知根据有效权利要求1的前序部分的感应式传感器，并且该文章可从以下下载：https://media.melexis.com/-/media/files/documents/whitepapers/inductive-resolver-e-motors-whitepaper-melexis.pdf.
为了降低感应式传感器的误差率，该文章一方面建议使用并联连接的两个以上接收线圈，并且在感应式传感器为角度传感器形式的情况下，以O形设计(围绕转动轴线闭合)制造接收线圈。虽然已经可以利用呈C形设计的接收线圈(即围绕转动轴线行进超过180°但小于360°)来降低误差率，但是当使用呈O形设计的接收线圈时，误差率总是更小。
从DE4429444A1已知一种用于检测位置的感应式传感器，该感应式传感器包括振荡器电路，该振荡器电路生成周期性交流电压信号并将其耦合到激励线圈中。该传感器中串联连接的两个接收线圈形成了共同的周期性重复回路结构，并且因此形成了共同接收几何形状。基于所耦合的AC信号，激励线圈在接收线圈中感应出公共信号，该公共信号由评估电路评估并被转换成取决于待检测的位置的传感器信号。在这个过程中，可移动耦合元件根据待检测的位置影响激励线圈和接收线圈之间的感应耦合的强度。
发明内容
本发明的目的是改善感应式传感器。
根据本发明的一个方面，一种用于检测位置的感应式传感器，包括：振荡器电路，该振荡器电路生成周期性AC电压信号并将其耦合到激励线圈中；接收线圈对，包括第一接收线圈和第二接收线圈，该第一接收线圈和第二接收线圈各自形成周期性重复的回路结构，并且第一接收线圈和第二接收线圈的布置整体上形成接收几何形状，该激励线圈被布置为基于所耦合的AC电压信号在每个接收线圈中感应出信号；评估电路，用于基于在接收线圈中感应出的信号输出取决于待检测的位置的传感器信号；以及可移动耦合元件，其根据待检测的位置来影响激励线圈和接收线圈之间的感应耦合的强度。根据本发明，以接收线圈对中的接收线圈之间具有空间的几何位置来布置接收线圈，并且接收线圈彼此电连接。
本发明基于这样的考虑，即，开始处提及的感应式传感器针对其各个零件相对于彼此的不正确定位具有鲁棒性，然而涉及非常高的制造成本。由于相的数量，对于所谓的类似双绞线的布线，围绕转动轴线以O形设计放置的接收线圈需要至少六个印刷电路板层级，其中PCB层级的变化总是在接收线圈的最大量的回路结构下发生。在C形设计的接收线圈的情况下，可以减少所需的PCB层级的数量，但是这伴随着错误率的增加(这在开始时已经提及)，并且在生产技术方面是次优的设计，因为接收线圈必须总是以关于转动轴线的大于180°的旋转角度放置。
本发明在此采用了不同的方法。接收线圈对中并联连接并因此彼此电连接的接收线圈消除了在开始陈述的现有技术中的先前提及的误差，并且因此降低了感应式传感器的误差率。同时，可以有效地减少实施回路结构所需的PCB层级的数量。令人惊讶的是，与在开始提及的现有技术中的想法不同，如果例如两个接收线圈彼此电连接、其回路结构彼此并行行进，则这个概念也可以应用于用于检测线性位置的感应式传感器。这些接收线圈还相互消除误差。
与开始提及的具有串联连接的接收线圈的感应式传感器相比，所提及的传感器提供了增强的灵敏度。当接收线圈并联连接时，它们的总面积增加，从而导致传感器的更高的灵敏度。当要检测的信号非常弱时，这是有利的。此外，并联连接的接收线圈提供了改进的抗干扰性，因为并联连接线圈有助于使外部电磁干扰的影响最小化。这通过在相反的方向上引导线圈中的所感应的噪声，从而使它们相互抵消来实现。最后，并联连接的两个接收线圈也具有较低的总电阻，因为在并联电路中，总电阻小于各个线圈的最低电阻。这意味着信号可以以更小的阻抗流过线圈，从而导致更高的信号强度。
在特定感应式传感器的实施例中，接收线圈的回路结构关于对称中心相对于彼此对称布置。以这样的方式，可以增加误差消除效果。
如果待检测的感应式传感器的位置是关于转动轴线的角位置，则该特定传感器的额外的附加部署的对称中心可以是转动轴线，相对于该转动轴点对称地形成回路结构。以这样的方式，就生产技术方面而言，可以利用显著更简单的手段来降低开始提及的错误率。
在特定实施例中，指定的感应式传感器包括特别地与第一接收线圈和第二接收线圈并联连接的另外一对接收线圈，该另外的一对接收线圈各自形成周期性重复的回路结构，并且它们的布置一起形成接收几何形状，激励线圈被设置成基于所耦合的AC电压信号在该另外的一对接收线圈中的每个接收线圈中感应出信号。
利用附加的接收线圈对，可以扩展指定的感应式传感器的功能的范围。
因此，在指定的感应式传感器的特定实施例中，[相同的]可移动耦合元件可以根据待检测的位置影响激励线圈和另外的接收线圈对中的接收线圈之间的感应耦合的强度，其中，评估电路被布置为基于接收线圈对中的接收线圈中感应出的信号和另外的接收线圈对中的接收线圈中感应出的信号的比较输出取决于位置的传感器信号。以这样的方式，指定的感应式传感器可以以简单的方式配备有冗余，以使所检测到的位置可信。
在所指定的感应式传感器的特定实施例中，另外的可移动耦合元件可以根据待检测的位置影响激励线圈和另外的接收线圈对中的接收线圈之间的感应耦合的强度，评估电路被设置为基于接收线圈对中的接收线圈中感应出的信号和另外的接收线圈对中的接收线圈中感应出的信号输出取决于位置的传感器信号。以这样的方式，可以检测两个耦合元件之间的不同位置，这可以用于例如确定力矩或扭矩。
当然也可以组合前面提及的两个概念。
在指定的感应式传感器的附加实施例中，从待检测的位置的变化方向上观察，另外的接收线圈对中的第一接收线圈布置在接收线圈对中的接收线圈之间的中间空间中。以这样的方式，可以以极其节省空间的方式实现指定的感应式传感器。
在指定的感应式传感器的另外的实施例中，接收线圈对被布置在印刷电路板的不同侧，使得可以仅使用一个印刷电路板，在非常小的组装空间中检测先前提及的差分位置。
在另外的实施例中，指定的感应式传感器包括布置在中间空间中的电子部件，从而导致指定的感应式传感器的甚至更小的组装空间要求。
在指定的感应式传感器的又一实施例中，电子部件是电磁屏蔽元件，其避免了两对接收线圈之间的串扰，特别是在以上提及的差分位置的检测中的串扰。
附图说明
结合实施例的以下描述，本发明的上述特性、特征和优点及其实现方式将变得更加清楚，这些实施例将结合附图更详细地进行解释，在附图中：
图1是具有转向系统的车辆的示意性透视图；
图2是用于检测位置的感应式传感器应用为来自图1的转向系统的扭矩传感器的版本的示意图；
图3a是图2的感应式传感器的一部分的示意图，
图3b是根据图3a所示的第一截面图的、图2的感应式传感器的实施例的一部分的示意性截面图；
图3c是根据图3a所示的第二截面图的、图3b的感应式传感器的实施例的一部分的示意性截面图；
图4a是如图3a所示的、图2的感应式传感器的一部分的示意图；
图4b是替代性感应式传感器的一部分的示意图；
图5是示出接收线圈组的结构的透视图。
具体实施方式
在附图中，相同的技术元件设置有相同的附图标记，并且仅描述一次。这些图纯粹是示意性的，并且特别地不反映实际的几何比例。
参考图1，图1是包括转向系统2的车辆1的示意性透视图。
在本实施例示例中，车辆1包括由两个前轮3和两个后轮4支撑的底盘5。前轮3可以由转向系统2转动，使得车辆1可以沿弯道行驶。
转向系统2包括安装在第一转向轴7上的方向盘6，该第一转向轴又围绕转动轴线8枢转地安装。第一转向轴7被引导到用于检测位置(在此为角度位置的形式)的感应式传感器9中，并且在那里以未进一步指定的方式连接到扭转元件10。第二转向轴11在转动轴8上与第一转向轴7相对的一侧连接到所述扭转元件10，该第二转向轴又终止于转向机构12。如果利用转向扭矩13形式的扭矩转动方向盘6，转向扭矩13相应地通过转向轴7、11传递到转向机构12，作为响应，该转向机构使前轮3转向从而以轮偏转角14沿曲线行驶。
转向过程由辅助电动机15支持，该辅助电动机帮助第二转向轴11转动。为了这个目的，转向扭矩13由第一转向轴7和第二转向轴11之间的相对角位置导出，该相对角位置由感应式传感器9检测。然后，辅助电动机15尤其根据所检测的转向扭矩13使第二转向轴11转向。
为了检测前面提及的角位置并因此检测转向扭矩13，感应式传感器9包括耦合元件16，该耦合元件连接到第一转向轴7并影响磁场17。感应式传感器9还包括连接到第二转向轴11的测量电路18，该测量电路根据第一转向轴7相对于第二转向轴11的相对角位置来激励磁场17并再次检测受耦合元件16影响的该磁场。测量电路18生成取决于受影响的磁场17的测量信号20并将其转发给评估设备21。因为测量信号20包括待检测的角位置作为信息，所以评估设备21基于测量信号20确定两个转向轴7、11彼此的相对角位置，并且输出取决于此的传感器信号19，由于扭转元件10的弹性，该传感器信号因此也取决于转向扭矩13。传感器信号19因此直接取决于待检测的转向扭矩13，使得辅助电动机15可以直接处理这个信息以转动第二转向轴11。
在EP 3 865 824 A1中示出了感应式传感器9的基本功能。下面参照图2详细描述本实施例的解释所基于的感应式传感器9的设计。
感应式传感器包括印刷电路板22，在该印刷电路板上布置了激励线圈23、具有评估设备21且具有振荡器电路(未进一步示出)的集成电路24、以及具有呈扁平线圈的形式的多个接收线圈25的测量电路18。
每个接收线圈25形成周期性重复的回路结构。在本实施例中，回路结构具有正弦或余弦走向、以围绕转动轴线8的圆弧段的形状布置、并且相对于彼此偏移180°。每个接收线圈25的回路结构本身形成接收几何形状，这在前面提及的EP 3 865 824 A1中详细描述。
耦合元件16轴向布置在测量电路18上方，以便可围绕转动轴线8旋转，并且耦合元件16在圆周方向上覆盖测量电路18的接收线圈25的一部分。可以通过围绕转动轴线8旋转耦合元件16来改变接收线圈25的被覆盖的部分。
在最简单的情况下，印刷电路板22被牢固地连接到两个转向轴7、11中的一个，并且因此被放置在扭转元件10和这些转向轴7、11之间。
在这种情况下，评估电路24中的振荡器电路通过电源线28利用周期信号给激励线圈23通电。可选地，可以在电源线28中布置诸如滤波电容器29的部件。
如EP 3 865 824 A1中详细描述的，以这样的方式通电的激励线圈23在接收线圈25中激励电流，在每个接收线圈25中，该电流取决于可移动耦合元件16的位置。在这个方面，单个接收线圈25的信号可以用作用于生成传感器信号19的测量信号20。然而，为了减少干扰场的影响，从两个相对于彼此偏移180°的接收线圈25的信号的比较来导出测量信号20以及因此传感器信号。
由于将印刷电路板22固定到两个转向轴7、11之一涉及大量的组装工作，因而感应式传感器9不直接确定测量信号20。相反，先前描述的组件被布置在印刷电路板22的两侧上，其中图2中的另外的组件中只有耦合元件是可见的。在下面的描述中，检测相对角位置所需的另外的组件的元件被一致地加上撇号，以便能够区分两个组件。因此，图2中可见的另外的耦合元件设有附图标记16’。
如果两个转向轴7、11相对于印刷电路板22可移动地布置，则在印刷电路板的下侧上以与传感器9的设计相同的方式确定另外的可移动耦合元件16’的位置以及因此第二转向轴11的位置，以便确定以上提及的两个转向轴7、11相对于彼此的相对角位置，以及因此确定取决于其的测量信号20，使得评估设备21包括两个转向轴7，11相对于印刷电路板22的位置。这两个位置的比较于是产生测量信号20，可以从该测量信号导出传感器信号19。
对于另外的实施例，感应式传感器9在印刷电路板22的上侧上的部分设有附图标记29，而根据上面确立的定义，传感器9在印刷电路板22的下侧上的部分设有附图标记29’。
参考图3a至图3c，描述了传感器9的另外的实施例。为了这个目的，在图3a至图3c中仅示出了与该另外的实施例相关的那些元件。传感器9的所有其他元件保持不变。
图3a示出了感应式传感器9的在印刷电路板22的上侧上的部分29。第一变化是现在不再有移位180°的两个接收线圈25，而是相对于彼此移位120°的三个接收线圈25。以这样的方式，可以更精确地检测耦合元件16的位置。
三个另外的接收线圈相对于转动轴线8点对称地布置、彼此移位120°，为了区分起见，这些线圈设有附图标记30。具有附图标记25的接收线圈在下文中被称为第一接收线圈25，而具有附图标记30的接收线圈被称为第二接收线圈30。第一接收线圈25和第二接收线圈30一起形成接收线圈组31，在以上提及的最简单的情况下，当只有单个接收线圈25、30用于检测时，该接收线圈组是接收线圈对。如果接收线圈组31较大，则第一接收线圈25和第二接收线圈30总是形成接收线圈对。
在接收线圈对中，相应第一接收线圈25和相应第二接收线圈30经由连接线26彼此电接触。这意味着每个接收线圈对中的相应第一接收线圈25和相应第二接收线圈30并联连接。对于图3a中的每个接收线圈对，该电连接线26以直接连接进行绘制。然而，这只能示意性地理解，因为转向轴7、11和扭转元件10位于所示出的位置。
连接线31行进穿过存在于接收线圈对之间的中间空间32。然而，该中间空间32也可以用于其他目的，其在图3a中由以虚线示出的另外的接收线圈组31’指示。该另外的接收线圈组31可以用作用于在印刷电路板22的下侧上执行组件29’，这将在后面更详细地讨论。
在接收线圈组31中，各个接收线圈25、30必须彼此电分离。出于这个原因，接收线圈25、30被引导在印刷电路板22的若干层级上，并且因此必须通过通孔33的各个层级之间来回引导。这些通孔33在图3a中以小点的形式示出，并且为了清楚起见，没有全都设有附图标记。原则上，可以根据需要选择通孔33，例如在EP 3 865 824 A1中描述的那样。然而，在本实施例中，通孔位于接收线圈25、30的正弦和余弦回路结构的末端。以这样的方式，接收线圈25、30可以如在圆形线缆的情况下那样在平面中扭转，这将必需的通孔33减少到最少。
在图3a中，先前提及的另外的接收线圈组31’被布置在先前提及的中间空间32中，该中间空间在转动轴线8的圆周方向上存在于接收线圈25、30的两侧上。然而，该另外的接收线圈组31’布置在印刷电路板22上与接收线圈组31相对的一侧。
另外的接收线圈组31’具有与先前解释的接收线圈组31相同的特征，也就是说，具有相对于彼此移位120°的三个第一接收线圈25’和相对于彼此移位120°的三个第二接收线圈30’，这些接收线圈各自相对于转动轴线8点对称地布置。此外，另外的接收线圈组31’中的接收线圈25’、30’被分成彼此电连接的接收线圈对。然而，为了清楚起见，在图3a中没有示出接收线圈25’、30’的电连接。
两个接收线圈组31、31’之间的唯一区别是各个接收线圈25、30、25’、30’的回路结构的周期性。由于接收线圈25、30、25’、30’由振荡器电路驱动，因此可以通过不同的谐振频率避免所得到的接收线圈组31、31’之间的无意串扰。
为了进一步避免所得到的接收线圈组31、31’之间的意外串扰，可以在前面提及的中间空间32中布置屏蔽元件34，这些屏蔽元件原则上形成在印刷电路板22的两侧上。这在图3b和图3c中示出，图3b和图3c示出了图3a中指示的观察方向上的截面图。
图4a和图4b中示出了中间空间32的可替代使用。
在图4a中，中间空间32被以上提及的另外的接收线圈组31’占据，其由实线绘制的接收线圈25’、30’指示。以这样的方式，在感应式传感器9中引入冗余，利用该冗余可以使测量信号20可信。
替代性地或附加地，还可以在中间空间34中容纳电路35，因而不再需要在别处占据组装空间。
最后，在图5中以透视图再次示出了接收线圈组31的结构。
Claims (10)
1.一种用于检测位置的感应式传感器(9)，包括：
-振荡器电路，所述振荡器电路生成周期性交流AC电压信号，并将所述AC电压信号耦合到激励线圈(23)中；
-接收线圈(31)对，所述接收线圈对包括第一接收线圈(25)和第二接收线圈(30)，所述第一接收线圈和第二接收线圈各自形成周期性重复的回路结构，并且所述第一接收线圈和第二接收线圈的布置整体上形成接收几何形状，所述激励线圈(23)被布置为基于所耦合的AC电压信号在每个接收线圈(25，30)中感应出信号；
-评估电路(21)，所述评估电路用于基于所述接收线圈(25，30)中感应出的信号输出取决于待检测的位置的传感器信号(19)；以及
-可移动耦合元件(16)，所述可移动耦合元件根据所述待检测的位置来影响所述激励线圈(23)和所述接收线圈(25，30)之间的感应耦合的强度，
其特征在于，
-所述接收线圈对(31)中的接收线圈(25，30)位于在所述接收线圈之间具有中间空间(32)的几何位置，并且所述接收线圈彼此电连接(26)。
2.根据权利要求1所述的感应式传感器(9)，其中，所述接收线圈(25，30)的回路结构相对于对称中心(8)彼此对称地布置。
3.根据权利要求2所述的感应式传感器(9)，其中，所述待检测的位置是关于转动轴线(8)的角位置，并且所述对称中心为所述转动轴线(8)，所述回路结构相对于所述转动轴线点对称地布置。
4.根据前述权利要求之一所述的感应式传感器(9)，包括：
-另外的接收线圈对(25’，30’)，所述另外的接收线圈对(25’，30’)具有第一接收线圈(25’)和第二接收线圈(30’)，所述第一接收线圈(25’)和所述第二接收线圈(30’)各自形成周期性重复的回路结构，并且所述第一接收线圈(25’)和所述第二接收线圈(30’)的布置整体上形成接收几何形状，所述激励线圈(23)或另外的激励线圈被布置成基于耦合的AC电压信号在所述另外的接收线圈对(31’)中的每个接收线圈(25’，30’)中感应出信号。
5.根据权利要求4所述的感应式传感器(9)，其中，所述可移动耦合元件(16)根据所述待检测的位置影响所述激励线圈(23)或所述另外的激励线圈与所述另外的接收线圈对(31’)中的接收线圈(25’，30’)之间的感应耦合的强度，并且所述评估电路被布置为基于所述接收线圈对(31)中的接收线圈(25，30)中感应出的信号和所述另外的接收线圈对(31’)中的接收线圈(25’，30’)中感应出的信号的比较输出取决于位置的传感器信号(19)。
6.根据权利要求4或5所述的感应式传感器(9)，包括另外的可移动耦合元件(16’)，所述另外的可移动耦合元件根据所述待检测的位置影响所述激励线圈(23)或所述另外的激励线圈和所述另外的接收线圈对(31’)中的接收线圈(25’，30’)之间的感应耦合的强度，所述评估电路(21)被设置为基于所述接收线圈对(31)中的接收线圈(25，30)中感应出的信号和所述另外的接收线圈对(31’)中的接收线圈(25’，30’)中感应出的信号输出取决于位置的传感器信号(19)。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的感应式传感器(9)，其中，从所述待检测位置的变化方向上观察，所述另外的接收线圈对(31’)的第一接收线圈(25’)布置在所述接收线圈对(31)中的接收线圈(25，30)之间的所述中间空间(32)中。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的感应式传感器(9)，其中，所述接收线圈对(31，31’)被布置在印刷电路板(22)的不同侧。
9.根据前述权利要求中任一项所述的感应式传感器(9)，包括布置在所述中间空间(32)中的电子部件(34，35)。
10.根据权利要求9所述的感应式传感器(9)，其中，所述电子部件(34，35)是电磁屏蔽元件(35)。
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