用于旋转轴的感应扭矩传感器制造技术

本公开的各实施例涉及用于旋转轴的感应扭矩传感器。所描述的技术涉及实现独立的目标线圈和拾波线圈系统的感应扭矩传感器。通过利用感应角度传感器的各种原理，并且由于目标线圈的具体物理布置，感应扭矩传感器可以经由一个拾波线圈系统独立地获取可旋转输入轴的旋转位置(即，机械角)，并且经由另一拾波线圈系统获取可旋转输出轴的旋转位置(即，机械角)。还提供了用于使用在两个独立拾波线圈系统中的每个独立拾波线圈系统中感应的信号来计算扭转角的组合电路装置。通过相对于线圈配置在目标线圈中使用不同k重对称性周期，感应扭矩传感器有利地减少或消除了不同目标线圈系统之间的相互耦接，并且提供了对杂散或外部电磁场的鲁棒性。场的鲁棒性。场的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
用于旋转轴的感应扭矩传感器


[0001]本文中描述的各方面总体上涉及扭矩传感器，并且更具体地涉及实现感应角度传感器的扭矩传感器。

技术介绍

[0002]对于某些应用，测量与可旋转轴相关联的传递扭矩是有用的。扭矩传感器(其是将扭转机械输入转换成电输出信号的换能器)通常可以用于该目的。然而，这种常规扭矩传感器成本高，并且可能缺乏对电磁干扰的鲁棒性。因此，当前扭矩传感器是不充分的。

技术实现思路

[0003]同样，常规扭矩传感器可能很昂贵，并且缺乏对电磁场的鲁棒性。因此，本文中描述的实施例通过利用感应角度传感器的使用来测量旋转轴或可能导致可测量扭矩的传递的任何其他合适组件之间的扭矩角，来解决这些问题。本文中描述的实施例利用感应角度传感器的原理来测量通过可旋转输入轴传递的扭矩，该输入轴用作感应角度传感器架构的一部分。本文中描述的感应扭矩传感器实施例是低成本、准确和鲁棒的，特别是在电磁干扰方面。
[0004]本文中描述的实施例实现了可旋转输入轴与可旋转输出轴之间的物理布置，其具有公共中心轴线并且彼此耦接以形成扭转元件。由于这种耦接，可旋转输入轴和可旋转输出轴可以相互扭转以形成扭转角，从而指示扭矩的传递。扭转角是可旋转输入轴的整个360度旋转的一部分(例如，
±
5度)，并且指示与该扭转角值成比例的传递扭矩的幅度和方向两者。因此，目标线圈可以与可旋转输入轴和可旋转输出轴的公共中心轴线同轴安装，其中一个目标线圈安装到可旋转输入轴的一部分，另一目标线圈安装到可旋转输出轴。
[0005]如下面进一步讨论的，本文中讨论的感应扭矩传感器实施例可以实现独立的电源线圈、目标线圈和拾波线圈系统。通过利用感应角度传感器的各种原理，并且由于上述目标线圈的布置，本文中描述的感应扭矩传感器实施例可以经由一个拾波线圈独立地获取可旋转输入轴的旋转位置(即，机械角)系统，并且经由另一拾波线圈系统获取可旋转输出轴的旋转位置(即，机械角)。还提供了用于使用经由每个相应目标线圈在每个单独拾波线圈系统中感应的信号来计算扭转角的组合电路装置。此外，通过相对于线圈配置在目标线圈中使用不同k重对称性周期，本文中描述的扭矩传感器实施例可以有利地减少或消除不同目标线圈系统之间的相互耦接，并且提供对杂散或外部电磁场的鲁棒性。
附图说明
[0006]并入本文并且形成说明书的一部分的附图示出了本公开的各方面，并且与说明书一起进一步用于解释这些方面的原理并且使得本领域技术人员能够制作和使用这些方面。
[0007]图1示出了常规感应角度传感器架构的示例；
[0008]图2示出了在如图1所示的两个接收线圈中感应的调幅电压的包络的示例，两个接
收线圈用于在从载波频率解调之后改变转子的旋转角度；
[0009]图3示出了如图2所示的两个接收线圈中的线性相角变化与角位移电压的关系的示例，两个接收线圈用于改变转子的旋转角度；
[0010]图4A示出了如图1所示的接收线圈中的一个接收线圈的示例绕组；
[0011]图4B示出了如图1所示的接收线圈相对于彼此旋转以在从载波频率幅度解调之后在其感应电压信号之间引起相位偏移的示例；
[0012]图5示出了随着时间的推移与图1的两相常规感应角度传感器架构相关联的各种信号的生成的示例；
[0013]图6示出了形成三相拾波线圈系统的一部分的接收线圈的示例，三相拾波线圈系统相对于彼此旋转以在其感应电压信号之间引起相位偏移；
[0014]图7示出了使用如图6所示的三相拾波线圈系统随着时间的推移与图1的常规感应角度传感器架构相关联的各种信号的生成的示例；
[0015]图8示出了根据本公开的一个或多个实施例而使用的感应角度传感器系统的示例；
[0016]图9示出了根据本公开的一个或多个实施例而使用的与图8的感应角度传感器系统一起使用的感应角度传感器电路装置的示例；
[0017]图10A示出了根据本公开的一个或多个实施例的一个示例感应扭矩传感器系统；
[0018]图10B示出了根据本公开的一个或多个实施例的另一示例感应扭矩传感器系统；
[0019]图11A和11B示出了根据本公开的一个或多个实施例的示例感应扭矩传感器系统电路装置的框图；
[0020]图12A
‑
12D示出了根据本公开的一个或多个实施例的用于计算扭转角的测量；以及
[0021]图13示出了根据本公开的一个或多个实施例的用于计算扭转角的示例查找表(LUT)内容。
[0022]将参考附图描述本公开的示例方面。元素第一次出现的图通常由对应的附图标记中的最左边的数字表示。
具体实施方式
[0023]在以下描述中，阐述了很多具体细节以提供对本公开的各方面的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说很清楚的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践包括结构、系统和方法的各方面。本文中的描述和表示是本领域技术人员用来将他们工作的实质最有效地传达给本领域其他技术人员的常用手段。在其他情况下，没有详细描述公知的方法、过程、组件和电路装置以避免不必要地模糊本公开的各方面。
[0024]k重对称性的概念介绍
[0025]本文中讨论的实施例经常参考旋转对称性的概念。因此，在下面进一步解释各种实施例的附加细节之前，有必要对该概念进行简要介绍。旋转对称性是一种属性，当一个形状在围绕该形状的中心轴线或公共轴线进行部分旋转后看起来相同时，称为存在该属性。换言之，物体的旋转对称度是不同取向的数目，在这些取向上，每次旋转看起来都完全相
同。如果形状可以围绕轴线旋转(在二维中)则称该形状具有k重对称性，或周期性k，其中n是使得该形状看起来相同的任意整数。例如，正五边形几何形状的k重对称性或周期性为5，因为在从同一角度看时，正五边形每次旋转72度不会改变正五边形。
[0026]无定向线圈的概念介绍
[0027]本文中讨论的实施例还包括使用无定向线圈。因此，在提供关于实施例的操作的进一步细节之前，对术语“无定向(astatic)”的介绍也是谨慎的。绕制线圈在本文中作为示例而非作为限制而被描述为二维，绕制线圈在没有针对电感耦接到该线圈的均匀磁通量的变化而感应出电压的情况下称为“无定向的”。换言之，在存在由电感耦接到示例无定向线圈B的示例线圈A提供的均匀磁场的情况下，响应于由线圈A提供的均匀磁场的变化，在线圈B中没有感应出电动势。然而，通常如果线圈A提供不均匀的磁通量并且随后改变，则线圈B中通常会感应出电压。
[0028]感应角度传感器系统
[0029]图1示出了常规感应角度传感器架构的示例。如图1所示，定子部分包括三个线圈：励磁线圈102(也称为“发射器”、“电源”或“驱动”线圈)和两个接收线圈104、106(也称为“拾波”线圈)，两个接收线圈104、106形成整个拾波线圈系统的一部分。相对于定子部分自由旋转的转子部分由导电材料(例如，铝)制成，并且在该示例中具有三重对称性或周期性。
[0030]为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种扭矩传感器，包括：转子电路装置，包括第一目标线圈和第二目标线圈，所述第一目标线圈和所述第二目标线圈各自被配置为围绕扭转元件同轴设置，并且被配置为当扭矩被传递时响应于所述扭转元件的旋转而相对于彼此旋转以形成扭转角，所述第一目标线圈具有第一周期的k重对称性，并且所述第二目标线圈具有不同于所述第一周期的第二周期的k重对称性；以及定子电路装置，包括第一拾波线圈系统和第二拾波线圈系统，所述第一拾波线圈系统具有被配置为围绕所述扭转元件同轴设置的至少两个第一拾波线圈，所述第二拾波线圈系统具有被配置为围绕所述扭转元件同轴设置的至少两个第二拾波线圈，所述至少两个第一拾波线圈具有与所述第一周期匹配的k重对称性，并且所述至少两个第二拾波线圈具有与所述第二周期匹配的k重对称性，其中所述定子电路装置被配置为基于经由与所述第一目标线圈的电感耦接在所述至少两个第一拾波线圈中感应的信号并且基于经由与所述第二目标线圈的电感耦接在所述至少两个第二拾波线圈中感应的信号，来计算所述扭转角，以及其中所述第一目标线圈和所述第二目标线圈中的每个目标线圈是无定向线圈。2.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中所述定子电路装置被配置为通过以下方式计算所述扭转角delta'：基于在所述至少两个第一拾波线圈中感应的所述信号，计算所述第一目标线圈相对于所述第一拾波线圈系统的旋转位置phi1'；基于在所述至少两个第二拾波线圈中感应的所述信号，计算所述第二目标线圈相对于所述第二拾波线圈系统的旋转位置phi2'；以及对于(0≤m1≤k1
‑
1)和(0≤m2≤k2)的不同整数值的组合中的每个组合，迭代地评估等式：delta
’
＝(phi1
’
/k1)
‑
(phi2
’
/k2)+(360
°
*(m1/k1
‑
m2/k2))，以使用产生delta'的最小绝对值的一组整数值m1、m2来标识所述扭转角delta'，其中k1表示所述第一目标线圈的、具有第一周期的k重对称性，以及其中k2表示所述第二目标线圈的、具有第二周期的k重对称性。3.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中所述定子电路装置被配置为通过以下方式计算所述扭转角delta'：基于在所述至少两个第一拾波线圈中感应的所述信号，计算所述第一目标线圈相对于所述第一拾波线圈系统的旋转位置phi1'；基于在所述至少两个第二拾波线圈中感应的所述信号，计算所述第二目标线圈相对于所述第二拾波线圈系统的旋转位置phi2'；以及使用将项360
°
*(m1/k1
‑
m2/k2)与在(0≤m1≤k1
‑
1)到(0≤m2≤k2)范围内的不同整数值的特定组合关联的一组预定整数值来评估等式：delta
’
＝(phi1
’
/k1)
‑
(phi2
’
/k2)+(360
°
*(m1/k1
‑
m2/k2))，以根据项360
°
*(m1/k1
‑
m2/k2)将所述扭转角delta'标识为产生delta'的最小绝对值的m1和m2值的组合时的解，其中k1表示所述第一目标线圈的、具有第一周期的k重对称性，以及其中k2表示所述第二目标线圈的、具有第二周期的k重对称性。
4.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中所述第一目标线圈与所述第二目标线圈在彼此之间具有互感，所述互感是所述第一目标线圈或所述第二目标线圈的自感的十分之一或更小。5.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中：所述定子电路装置还包括耦接到振荡器的第一电源线圈，所述振荡器被配置为向所述第一电源线圈供应交流AC信号，所述转子电路装置还包括第二电源线圈，所述第二电源线圈(i)电感耦接到所述第一电源线圈，并且(ii)传导耦接到所述第一目标线圈，以及在所述至少两个第一拾波线圈和所述至少两个第二拾波线圈中感应的所述信号基于被供应到所述第一电源线圈的所述AC信号。6.根据权利要求5所述的扭矩传感器，其中所述第二电源线圈被配置为经由串联电容器耦接到所述第一目标线圈。7.根据权利要求5所述的扭矩传感器，其中所述第二电源线圈还传导耦接到所述第二目标线圈，以及其中所述转子电路装置还包括第三电源线圈，所述第三电源线圈(i)电感耦接到所述第一电源线圈，并且(ii)传导耦接到所述第二目标线圈。8.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中所述第一目标线圈经由一个或多个柔性导线传导耦接到所述第二目标线圈。9.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中所述第一目标线圈经由所述扭转元件传导耦接到所述第二目标线圈。10.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中：所述第一目标线圈和所述第二目标线圈各自被配置为设置在所述定子电路装置的同一侧，所述第一目标线圈被配置为与所述第二目标线圈相比更靠近所述定子电路装置设置，以及所述第一目标线圈的所述第一周期大于所述第二目标线圈的所述第二周期。11.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中：所述第一拾波线圈系统中包括的所述至少两个第一拾波线圈中的每个拾波线圈针对所述第一拾波系统中的偶数N个线圈根据函数并且针对所述第一拾波系统中的奇数N个线圈根据函数在圆周方向上彼此旋转偏移，k1表示所述第一周期，以及所述第二拾波线圈系统中包括的所述至少两个第二拾波线圈中的每个拾波线圈针对所述第二拾波系统中的偶数M个线圈根据函数并且针对所述第二拾波系统中的奇数M个线圈根据函数在圆周方向上彼此旋转偏移，k2表示所述第二周期。12.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中：所述定子电路装置还包括第一电源线圈，
所述转子电路装置还包括第二电源线圈，以及所述第一电源线圈与所述第二电源线圈在彼此之间具有互感，所述互感相对于以下各项是恒定的：(i)所述第一电源线圈的旋转角，(ii)所述第二电源线圈的旋转角，以及所述扭转角。13.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中所述定子电路装置被配置为通过以下方式计算所述扭转角delta：对在所述至少两个第一拾波线圈中感应的所述信号执行幅度解调和归一化，以提供被归一化为预定幅度的第一组信号a、b；对在所述至少两个第二拾波线圈中感应的所述信号执行幅度解调和归一化，以提供被归一化为所述预定幅度的第二组信号c、d；使用(i)arctan2{b+d,a
‑
c}或(ii)arctan2{a+c,d
‑
b}中的至少一个计算中间量A；使用(i)arctan2{b+d,a+c}或(ii)arctan2{a
‑
c,d
‑
b}中的至少一个计算中间量B；以及通过使用不同m2值迭代地评估等式来计算所述扭转角delta：delta＝C1*A+C2*B+C3*m2，直到标识出位于许可扭转角的预定范围内的所述扭转角delta的解，其中系数C1、C2和C3中的每个系数是取决于所述第一目标线圈的所述k重对称性以及所述第二目标线圈的所述k重对...

【专利技术属性】
技术研发人员：U，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：