角度位置傳感器、角度位置測量系統及方法與流程

本發明涉及機電控制領域，尤其是一種角度位置傳感器、角度位置測量系統及方法。

背景技術：

角度位置傳感器在汽車上有著廣泛的應用，如液位傳感器、加速油門踏板、節氣門體、助力轉向、車身水平傳感器等。目前已有的汽車零部件上，主要采用的角度位置傳感器是電位計接觸式角度傳感器和霍爾型非接觸式角度傳感器兩種。

電位計式角度傳感器是早期經常使用的接觸式傳感器，其使接觸點在電阻膜上改變位置，從而改變上下電阻的比率，實現輸出端電壓隨外部位置的變化。但是，電位計式角度傳感器不可避免地存在觸點和電阻膜容易磨損的問題，而且如果在觸點和電阻膜間混入灰塵等污垢，則會影響測量精度。另外，在振動環境下阻值也會發生變化。因此，電位計式的角度傳感器在耐氣候性、耐振動等方面存在明顯不足。

霍爾式角度位置傳感器是當前主流的非接觸式傳感器，它是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器，一般由外磁場和霍爾芯片組成，由霍爾電壓反應位置的變化。霍爾式角度傳感器具有無觸點無磨損、體積小、耐氣候性好、耐振動好、精度高等優點，但由于霍爾傳感器中含有磁鐵，EMC(Electro Magnetic Compatibility，電磁兼容性)性能相對較差，成本較高，耐溫漂性能較差。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種角度位置傳感器、角度位置測量系統及方法，以解決現有角度位置傳感器在耐氣候性、耐振動性、耐溫漂性不足以及成本高的問題。

為了達到上述目的，本發明提供了一種角度位置傳感器，包括：一激勵線圈、與所述激勵線圈共軸的M個接收線圈和與所述激勵線圈共軸的轉子；其中，所述M個接收線圈位于所述激勵線圈內側，所述轉子位于所述多個接收線圈的一端，且與接收線圈之間有一間隙；所述M個接收線圈的每一圈均按正反方向繞線，兩個相鄰的接收線圈之間有一偏轉角度，M為大于等于2的正整數。

優選的，在上述的角度位置傳感器中，M為2或3。

優選的，在上述的角度位置傳感器中，每個接收線圈的每一圈有N次正向繞線和反向繞線，所述正向繞線和反向繞線交叉進行，其中，N為大于等于1的正整數。

優選的，在上述的角度位置傳感器中，所述偏轉角度＝360/(2N*M)，其中，N為大于等于1的正整數，M為2。

優選的，在上述的角度位置傳感器中，所述偏轉角度＝360/(N*M)，其中，N為大于等于1的正整數，M為3。

優選的，在上述的角度位置傳感器中，所述轉子包含N個轉子葉片，其中，N為大于等于1的正整數。

優選的，在上述的角度位置傳感器中，N個轉子葉片均勻分布于所述轉子葉片所在的平面上，N為大于等于1的正整數。

優選的，在上述的角度位置傳感器中，所述轉子覆蓋住所述M個接收線圈橫截面的面積的一半。

優選的，在上述的角度位置傳感器中，所述激勵線圈和接收線圈橫截面的形狀相同。

優選的，在上述的角度位置傳感器中，所述激勵線圈橫截面的形狀是多邊形、圓形或橢圓形。

本發明還提供了一種角度位置測量系統，包括：一如權利要求1至8中任意一項所述的角度位置傳感器、一第一電容、一運算放大器、一解調鑒相電路以及一控制器；其中，

所述角度位置傳感器中的激勵線圈和M個接收線圈、第一電容以及運算放大器組成一LC震蕩電路，以產生一激勵信號；

所述解調鑒相電路用于獲得所述角度位置傳感器中M個接收線圈的輸出信號的幅值和相位；以及

所述控制器用于根據所述M個接收線圈的輸出信號的幅值和相位獲取所述角度位置傳感器中轉子的旋轉角度，M為大于等于2的正整數。

優選的，在上述的角度位置測量系統中，還包括：一帶通濾波電路，用于濾出所述接收線圈的輸出信號中的干擾信號。

優選的，在上述的角度位置測量系統中，還包括：一自增益放大電路，用于放大濾出干擾信號后的所述M個接收線圈的輸出信號，所述解調鑒相電路用于獲得放大后的所述M個接收線圈的輸出信號的幅值和相位。

優選的，在上述的角度位置測量系統中，所述解調鑒相電路包括：一乘法器和一低通濾波電路；其中，所述乘法器用于將所述M個接收線圈的輸出信號分離成一組高頻信號和一組低頻信號；所述低通濾波電路用于過濾出所述高頻信號，以獲得所述低頻信號。

優選的，在上述的角度位置測量系統中，所述M個接收線圈的每一圈有N次正向繞線和反向繞線，所述高頻信號的頻率為所述M個接收線圈的輸出信號的載波頻率的2倍，所述低頻信號的幅值與所述M個接收線圈輸出信號的幅值相關，其中，N為大于等于1的正整數，M為2或3。

優選的，在上述的角度位置測量系統中，所述M個接收線圈的每一圈有N次正向繞線和反向繞線，所述M個接收線圈的輸出信號的幅值為所述低頻信號的幅值的2倍，其中，N為大于等于1的正整數，M為2或3。

優選的，在上述的角度位置測量系統中，所述M個接收線圈的輸出信號的載波頻率與所述激勵信號的頻率相等。

本發明更提供了一種采用上述的角度位置測量系統進行角度位置測量的方法，其特征在于，

獲得角度位置傳感器中M個接收線圈的輸出信號的幅值y1、y2...yM；

將一平面劃分為4M個象限；

根據所述M個接收線圈的輸出信號的幅值y1、y2...yM確定轉子位于第L個象限中；

根據所述M個接收線圈的輸出信號的幅值y1、y2...yM獲得所述轉子的旋轉角度；

其中，M為2或3，1≤L≤4M，且L為正整數。

在本發明提供的角度位置傳感器、角度位置測量系統及方法中，角度位置傳感器中包括一激勵線圈以及與所述激勵線圈共軸的M個接收線圈和一轉子，所述角度位置傳感器中的M個接收線圈、第一電容以及運算放大器組成一LC震蕩電路，且M個接收線圈之間有一偏轉角度，其中，M為大于等于2的正整數，利用轉子的旋轉角度與M個接收線圈的輸出信號之間的關系，在獲取M個接收線圈的輸出信號的前提下，即可獲得轉子的旋轉角度，從而實現對角度變化的測量。由于轉子和接收線圈之間非接觸，即無機械磨損，從而提高了所述角度位置測量系統的耐氣候性和耐振動性。同時，可以有效的降低成本。

附圖說明

圖1為本發明實施例中角度位置傳感器的俯視結構示意圖；

圖2為本發明實施例中角度位置測量系統的結構示意圖；

圖3為本發明實施例中激勵磁場作用下接收線圈輸出電壓和轉子位置的對應關系示意圖；

圖4為本發明實施例中將0-360°的平面劃分為8個象限的示意圖；

圖5為本發明實施例中角度位置測量方法的流程圖；

圖中：101-角度位置傳感器；1011-激勵線圈；1012-接收線圈；1013-轉子；102-第一電容；103-運算放大器；104-解調鑒相電路；1041-乘法器；1042-低通濾波器；105-控制器；106-帶通濾波電路；107-自增益放大電路。

具體實施方式

下面將結合示意圖對本發明的具體實施方式進行更詳細的描述。根據下列描述和權利要求書，本發明的優點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。

本發明實施例提供了一種角度位置傳感器101，如圖1所示，圖1為所述角度位置傳感器101的俯視結構示意圖。所述角度位置傳感器101包括：一激勵線圈1011、M個接收線圈1012以及一轉子1013，所述激勵線圈1011、M個接收線圈1012和轉子1013共軸。所述M個接收線圈1012位于所述激勵線圈1011的內側，所述轉子1013位于所述M個接收線圈1012的一端，且與所述接收線圈1012之間有一間隙，兩個相鄰的接收線圈1012之間有一偏轉角度，M為大于等于2的正整數，進一步的，M為2或3。

每個接收線圈1012的每一圈均按正反方向繞線。具體的，所述每個接收線圈1012的每一圈有N次正向繞線和N次反向繞線，先進行N次正向繞線再進行N次反向繞線，其中，N為大于等于1的正整數。進一步的，當N為1時，每個接收線圈1012的每一圈在繞線時是接收線圈的一端固定，另一端先沿正方向(順時針方向)繞一定的長度后，再沿著反方向(逆時針方向)繞相同的長度，并回到所述接收線圈的一端附近。當N為大于等于2的正整數時，每個接收線圈的每一圈在繞線時是接收線圈的一端固定，另一端沿著正方向(順時針方向)完成N次繞線，然后再沿著反方向(逆時針方向)完成N次繞線，并回到所述接收線圈的一端附近。在上述中，正方向為順時針方向，反方向為逆時針方法，同樣的，也可以是正方向為逆時針方向，反方向為順時針方向。

當M為2時，所述偏置角度＝360/(2N*M)，其中，N表示每個接收線圈1012的每一圈正向繞線的次數，為大于等于1的正整數。例如，當N為1，即，當有兩個接收線圈1012(例如為第一接收線圈和第二接收線圈)，且每個接收線圈1012的每一圈僅進行一次正向繞線和反向繞線時，所述偏置角度＝360/(2N*M)＝360/(2*1*2)＝90度。即所述兩個接收線圈1012之間呈90度的夾角，進一步的，所述第一接收線圈的一端和第二接收線圈的一端之間呈90°的夾角。

當M為3時，所述偏轉角度＝360/(N*M)，其中，N為大于等于1的正整數，M為3。同樣，當N為1時，所述偏轉角度＝360/(N*M)＝360/(1*3)＝120度。即所述兩個接收線圈1012之間呈120度的夾角，進一步的，所述第一接收線圈的一端和第二接收線圈的一端之間呈120°的夾角。

所述轉子1013包含N個轉子葉片，且所述N個轉子葉片均勻分布于所述轉子葉片所在的平面，N為大于等于1的正整數。即所述轉子1013包含的轉子葉片的個數與所述接收線圈的每一圈中正向繞線或反向繞線的次數相等。進一步的，所述轉子1013覆蓋住所述接收線圈橫截面的面積的一半，即所述轉子1013覆蓋住所述接收線圈1012中正向繞線所圍成的區域，或者覆蓋住所述接收線圈1012中反向繞線所圍成的區域。需要說明的是，當所述轉子1013覆蓋住所述接收線圈1012中正向繞線所圍成的區域時，就不能覆蓋所述接收線圈1012中反向繞線所圍成的區域。同樣，當所述轉子1013覆蓋住所述接收線圈1012中反向繞線所圍成的區域時，就不能覆蓋所述接收線圈1012中正向繞線所圍成的區域。

具體而言，當N為1時，所述接收線圈1012的每一圈僅進行一次正向繞線和一次反向繞線，則是轉子1013僅包含一個轉子葉片。所述轉子葉片覆蓋住所述接收線圈1012中正向繞線所圍成的區域，但不能覆蓋住所述接收線圈1012中反向繞線所圍成的區域。或者覆蓋住所述接收線圈1012中反向繞線所圍成的區域，但不能覆蓋住所述接收線圈1012中正向繞線所圍成的區域。

當N為2時，所述接收線圈1012的每一圈進行2次正向繞線和2次反向繞線，則所述轉子1013包括2個轉子葉片。所述接收線圈1012的每一圈被依次劃分為：第一正向繞線圍成的區域、第一反向繞線圍成的區域、第二正向繞線圍成的區域以及第二反向繞線圍成的區域。由于所述接收線圈1012的每一圈在進行繞線時正向繞線和反向繞線的長度是相等的，進而使得第一正向繞線圍成的區域、第一反向繞線圍成的區域、第二正向繞線圍成的區域以及第二反向繞線圍成的區域的面積相等。這2個轉子葉片分別覆蓋住所述第一正向繞線圍成的區域和第二正向繞線圍成的區域，但不能覆蓋住所述第一反向繞線圍成的區域和第二反向繞線圍成的區域。或者這2個轉子葉片分別覆蓋住所述第一反向繞線圍成的區域和第二反向繞線圍成的區域，但不能覆蓋住所述第一正向繞線圍成的區域和第二正向繞線圍成的區域。

當N大于2時，與N等于2的情況類似，以此類推，是本領域技術人員所能理解的，在此不再贅述。N的取值越大，所述角度位置傳感器101的測量精度越高。

所述激勵線圈1011和接收線圈1012的橫截面的形狀相同，所述激勵線圈1011和接收線圈1012的橫截面是但不限于是多邊形、圓形或橢圓形。需要說明的是，當所述激勵線圈1011和接收線圈1012的橫截面為多變形時，所述角度位置傳感器101還可以用來測量直線距離。較優的，所述激勵線圈1011和接收線圈1012的橫截面為圓形，以減少耗材，進而降低成本。當所述激勵線圈1011和接收線圈1012的橫截面為圓形時，所述轉子1013的轉子葉片的半徑大于等于所述接收線圈1012的半徑。較優的，所述轉子1013的轉子葉片的半徑等于所述接收線圈1012的半徑，以減少無效覆蓋，進而降低成本。

本發明實施例還提供了一種角度位置測量系統，如圖2所示。圖2示出了本實施例中角度位置測量系統的結構示意圖。包括：如上所述角度位置傳感器101、一第一電容102、一運算放大器103、一解調鑒相電路104以及一控制器105。其中，所述角度位置傳感器101中的M個接收線圈1012、第一電容102以及運算放大器103組成一LC震蕩電路。

所述角度位置測量系統還包括一帶通濾波電路106和一自增益放大電路107，所述帶通濾波器106用于濾出所述接收線圈1012的輸出信號中的干擾信號，所述并將原始信號有效放大，提高信號的信噪比。所述自增益放大電路107用于放大濾出干擾信號后的所述M個接收線圈1012的輸出信號，所述解調鑒相電路104用于獲得放大后的所述M個接收線圈的輸出信號的幅值和相位。所述自增益放大電路104的作用是將接收線圈的輸出信號進行有效放大，獲取高精度的幅值變化信號，為后續所述角度位置傳感器中轉子1013的位置計算提供參考。由于接收線圈1012的輸出信號的輸出幅值變化很大，采用固定增益的放大電路很難保證在全信號段獲取足夠高的AD(模數轉換)采樣精度，因此，本系統采用了一套自增益放大電路，其特點是當輸入信號的幅值發生變化時，其內部電路可以自動識別信號的輸入幅值，經過內部特殊的電阻網絡調節信號的放大倍數，再將相對應的放大倍數轉換成電壓值，再經過固定增益放大器放大后，輸入給模數轉換電路。

所述角度位置傳感器101中的每個接收線圈1012的每一圈均按正反方向繞線。具體的，所述每個接收線圈1012的每一圈有N次正向繞線和N次反向繞線，且所述正向繞線和反向繞線交叉進行，其中，N為大于等于1的正整數。進一步的，當N為1時，每個接收線圈1012的每一圈在繞線時是接收線圈的一端固定，另一端先沿正方向(順時針方向)繞一定的長度后，再沿著反方向(逆時針方向)繞相同的長度，并回到所述接收線圈的一端附近。當N為大于等于2的正整數時，每個接收線圈的每一圈在繞線時是接收線圈的一端固定，另一端沿著正方向(順時針方向)完成N次繞線，然后再沿著反方向(逆時針方向)完成N次繞線，并回到所述接收線圈的一端附近。在上述中，正方向為順時針方向，反方向為逆時針方法，同樣的，也可以是正方向為逆時針方向，反方向為順時針方向。

所述解調鑒相電路104用于獲得所述角度位置傳感器101中M個接收線圈1012的輸出信號的幅值和相位，M為大于等于2的正整數。具體的，所述解調鑒相電路104包括：一乘法器1041和一低通濾波電路1041。其中，所述乘法器1041用于將放大后的所述M個接收線圈1012的輸出信號分離成一組高頻信號和一組低頻信號；所述低通濾波電路1042用于過濾出所述高頻信號，以獲得所述低頻信號，M為大于等于2的正整數。其中，所述M個接收線圈1012的每一圈有N次正向繞線和N次反向繞線，所述高頻信號的頻率為所述M個接收線圈的輸出信號的載波頻率的2倍，所述低頻信號的幅值與所述M個接收線圈輸出信號的幅值相關，進一步的，所述M個接收線圈的輸出信號的幅值為所述低頻信號的幅值的2倍。更進一步的，所述M個接收線圈的輸出信號的載波頻率與所述激勵信號的頻率相等。其中，N為大于等于1的正整數，M為2或3。

所述控制器105用于根據所述角度位置傳感器101中M個接收線圈1012的輸出信號的幅值和相位獲取所述角度位置傳感器中轉子1013的旋轉角度，M為大于等于2的正整數。

在本實施例中，所述角度位置傳感器中包含有2個接收線圈，且2個接收線圈的每一圈進行一次正向繞線和一次反向繞線。所述角度位置傳感器中的轉子包含有一個轉子葉片。進一步的，所述轉子葉片為導磁的金屬片。

所述激勵線圈的電感在2uH左右，所述LC震蕩電路可產生頻率我5MHz，幅值為1伏特的高頻交流電壓信號，即激勵信號。通電后，所述激勵線圈在所述高頻交流電壓信號的作用下，產生高頻交變的激勵磁場。所述角度位置傳感器中的2個接收線圈的每一圈進行一次正向繞線和一次反向繞線，以抵消所述激勵磁場的影響。在所述高頻交變的激勵磁場的作用下，所述轉子葉片上會感應出渦流，所述渦流的強度取決于所述激勵磁場的大小，所述轉子葉片上交變的渦流也會產生交變的磁場，其產生的磁場隨所述轉子葉片的位置的變化而不斷變化。每個接收線圈在所述轉子葉片渦流交變磁場的作用下，其輸出的感應電動勢U0和所述轉子葉片的位置相關，如圖3所示。

具體的，可以看出，當所述轉子葉片完全蓋住接收線圈的上半圈時，所述接收線圈的感應電壓的輸出幅值達到正向最大，如圖3中的標識1所示。當所述轉子葉片順時針轉過90度后，所述轉子葉片蓋住所述接收線圈上下半圈的面積相等，但上下半圈的感應電流的方向相反，導致接收線圈的電壓輸出幅值為0，如圖3中的標識2所示。當轉子繼續旋轉90度，所述轉子葉片完全蓋住接收線圈的下半圈時，所述接收線圈的輸出信號的輸出幅值達到反向最大，如圖3中的標識3所示。當所述轉子葉片繼續旋轉90度后，所述轉子葉片蓋住接收線圈上下半圈的面積又相等了，其輸出電壓的幅值再次等于O，如圖3中的標識4所示。綜上所述，接收線圈的輸出幅值和轉子的位置相關，通過測量接收線圈的輸出幅值和相位就可以確定轉子的位置了。

本發明實施例還提供了一種采用所述角度位置測量系統進行角度位置測量的方法，包括以下步驟：獲得M個接收線圈的輸出信號的幅值y1、y2...yM；將0-360°的平面劃分為4M個象限；根據所述M個接收線圈的輸出信號的幅值y1、y2...yM確定轉子位于第L個象限中；以及確定所述轉子的旋轉角度。其中，M為2或3，1≤L≤4M，且L為正整數。

接上例，N為1，M為2。即2個接收線圈的輸出信號的幅值分別為y1和y2，將0-360°的平面劃分為8個象限，如圖4所示，其中，π表示180°。則1≤L≤8，且L為正整數。

參見圖5，圖5為本發明實施例中角度位置測量方法的流程圖。首先獲取2個接收線圈的輸出信號的幅值y1和y2，如圖5中的步驟S1。然后將0-360°的平面劃分為8個象限，如圖5中的步驟S2。其次，根據所述2個接收線圈的輸出信號的幅值y1和y2確定轉子葉片位于第L個象限，1≤L≤8，且L為正整數，如圖5中的步驟S3。

具體的，請參見圖4，圖4為將0-360°的平面劃分為8個象限的示意圖。當y1＞0且y2＞0時，所述轉子葉片位于第I象限和第II象限中。進一步的，根據y1和y2的值的大小，進一步確定所述轉子葉片是位于所述第I象限還是第II象限。具體的，當y2＞y1時，所述轉子葉片位于第I象限中，然后根據y1和y2確定所述轉子葉片的旋轉角度φ，φ＝arcsin(y1)，如圖5中的步驟S4。否則，當y2小于y1時，所述轉子葉片位于第II象限中，此時，φ＝90-arcsin(y2)，如圖5中的步驟S4。

當y1＞0且y2＜0時，所述轉子葉片位于第III象限和第IV象限中。進一步的，根據y1和y2的絕對值的大小，進一步確定所述轉子葉片是位于所述第III象限還是第IV象限。具體的，當|y1|＞|y2|時，所述轉子葉片位于第III象限中，然后根據y1和y2確定所述轉子葉片的旋轉角度φ，φ＝90+arcsin(|y2|)，如圖5中的步驟S4。否則，當|y1|＜|y2|時，所述轉子葉片位于第IV象限中，此時，φ＝180-arcsin(|y1|)，如圖5中的步驟S4。

當y1＜0且y2＜0時，所述轉子葉片位于第V象限和第VI象限中。進一步的，根據y1和y2的絕對值的大小，進一步確定所述轉子葉片是位于所述第V象限還是第VI象限。具體的，當|y2|＞|y1|時，所述轉子葉片位于第V象限中，然后根據y1和y2確定所述轉子葉片的旋轉角度φ，φ＝180+arcsin(|y1|)，如圖5中的步驟S4。否則，當|y2|＜|y1時，所述轉子葉片位于第VI象限中，此時，φ＝270-arcsin(|y2|)，如圖5中的步驟S4。

當y1＜0且y2＞0時，所述轉子葉片位于第VII象限和第VII象限中。進一步的，根據y1和y2的絕對值的大小，進一步確定所述轉子葉片是位于所述第VII象限還是第VII象限。具體的，當|y1|＞|y2|時，所述轉子葉片位于第VII象限中，然后根據y1和y2確定所述轉子葉片的旋轉角度φ，φ＝270+arcsin(|y2|)，如圖5中的步驟S4。否則，當|y1|＜|y2|時，所述轉子葉片位于第VII象限中，此時，φ＝360-arcsin(|y1|)，如圖5中的步驟S4。

在本實施例中，獲得的是轉子相對于其初始位置的旋轉角度，而轉子的初始位置可以自由標定，因此使用方便。

當M為3時，即當所述角度位置傳感器中包含有3個接收線圈時，將0-360°的平面劃分為12個象限，然后根據獲得的3個接收線圈的輸出信號的幅值y1、y2和y3的大小(包括正負以及絕對值的大小)確定轉子葉片具體位于0-12個象限中的哪一個象限中，然后利用3個接收線圈的輸出信號的幅值y1、y2和y3計算出轉子葉片的旋轉角度φ。采用3個接收線圈時轉子葉片的旋轉角度φ的精度要高于采用2個接收線圈時的精度。因此，根據實際需要選擇不同個數的接收線圈以適應不同的精度要求。

綜上，在本發明實施例提供的角度位置傳感器、角度位置測量系統及方法中，角度位置傳感器中包括一激勵線圈以及與所述激勵線圈共軸的M個接收線圈和一轉子，所述角度位置傳感器中的M個接收線圈、第一電容以及運算放大器組成一LC震蕩電路，且M個接收線圈之間有一偏轉角度，其中，M為≥2的正整數，利用轉子的旋轉角度與M個接收線圈的輸出信號之間的關系，在獲取M個接收線圈的輸出信號的前提下，即可獲得轉子的旋轉角度，從而實現對角度變化的測量。由于轉子和接收線圈之間非接觸，即無機械磨損，從而提高了所述角度位置測量系統的耐氣候性和耐振動性。同時，可以有效的降低成本。

上述僅為本發明的優選實施例而已，并不對本發明起到任何限制作用。任何所屬技術領域的技術人員，在不脫離本發明的技術方案的范圍內，對本發明揭露的技術方案和技術內容做任何形式的等同替換或修改等變動，均屬未脫離本發明的技術方案的內容，仍屬于本發明的保護范圍之內。