专利名称：超大量程绝对位置角度传感器及绝对位置的角度检测方法
技术领域：
本发明属于测试测量传感器技术领域，特别涉及用于要求超大量程、输出绝对位 置、较高精度、小体积、环境恶劣情况下的角度测量。
背景技术：
随着工业自动化控制、汽车电动助力转向、汽车电子稳定性控制系统的发展，角度 传感器的应用越来越多。按输出角度值的0位置是否固定进行区分，角度传感器可分为绝 对位置角度传感器和相对位置角度传感器，相对位置角度传感器也称为增量式角度传感 器。相对位置角度传感器记录通电时刻的位置为0位置，除非在转动到其他位置后由外部 信号进行指令，将所在位置记录为0位置，否则一直认为上电时刻的位置为0位置，其他位 置的获得通过计数进行累加，所以这种角度传感器存在的问题一是可能产生累积误差，也 就是计数出错的累积性，二是通常应用过程中需要每次通电后进行0位置的标定，给应用 带来麻烦。而绝对位置角度传感器则没有上述问题，在绝对位置角度传感器的整个生命周 期内，只需要由外部信号判断一次0位置，角度传感器便能一直输出绝对位置，不会有累积 误差，也不需要每次通电后标定0位置。采用磁感应芯片是一种常用的绝对位置角度传感 器的实现方案。磁感应芯片能够在磁场作用下输出两路电压值，磁场勻速旋转时，输出的电 压值构成正余弦曲线。常用的磁感应芯片有KMZ41、TLE5010、TLE5011、TLE5012等。其中 TLE5010、TLE5011、TLE5012为巨磁效应磁感应芯片，这些芯片在外界磁场0-360°转动时， 输出对应的正余弦值。磁感应效应具有非接触、响应快速、滞回特性好、抗环境干扰等良好的特性。磁感 应芯片的特性如
图1所示，在磁场方向连续变化的过程中，磁感应芯片的输出值为正弦和 余弦信号，在单片机内部对正弦和余弦信号进行反正切计算，可以得到0-360°的角度值， 对应磁场0-360°的方向变化。磁场转动方向超过360°时，磁感应芯片仍然得到0-360° 范围内的值，所以单个磁感应芯片对的量程为360°。基于磁感应效应的角度传感器具有很好的应用价值和实用前景，并且已经在汽车 上有一定的应用。汽车上采用的磁感应效应角度传感器，是一种量程较小的绝对位置角度 传感器，量程通常在2500°以内，而在其他工业自动化应用场合，需要大量程绝对位置的角 度传感器。比如电机控制的举升装置，由于电机通电时刻需要确定当前举升台面的高度， 如果用增量式角度传感器建立电机轴转动角度和举升高度的关系，就需要通电后先回到初 始位置，然后标定零位再开始正常工作，这不仅增加了系统运动复杂化，也影响效率和可靠 性。而绝对位置角度传感器则不必标定初始位置，因为它通电就能输出绝对角度。此时可 能需要角度传感器有几万甚至几十万度的量程，现有的绝对位置角度传感器量程均未超过 2500°，不能用于上述应用场合。角度传感器的量程与结构设计及其算法有关，算法在角度传感器的单片机中运 行，算法是角度传感器的一部分。采用单个巨磁效应磁感应芯片时能够测量0-360度范围 内的绝对角度，且不需要专门的计算方法即可实现角度的测量。汽车上用于测量方向盘转角的角度传感器采用2个磁铁及磁感应芯片对，测量范围一般在2500°以内，需要采用平 面几何的方法进行查表计算。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种超大量程绝对位置角度传 感器及绝对位置的角度检测方法，采用至少3个磁铁及磁感应芯片对并采用解析几何的方 法进行绝对位置的角度检测，可以实现很大的测试量程，具有绝对位置输出，并且具有较高 的测量精度。本发明提出的超大量程绝对位置角度传感器，包括组装成一体的外壳、转动输入 齿轮、至少3个具有不同齿数的从动齿轮、分别与每个从动齿轮固连的磁铁、磁感应芯片、 单片机、电源模块、总线接口芯片；其中，磁铁和磁感应芯片的个数均与从动齿轮的数目相 同，磁铁与从动齿轮固连，磁感应芯片位于磁铁的下方；磁感应芯片、电源模块、总线接口芯 片分别与单片机电连接，组成传感器的处理电路。所述磁感应芯片用于检测磁铁产生的磁场方向，单片机用于接收磁感应芯片的输 出并计算对应的角度值，总线接口芯片用于转换外部总线的电平和单片机引脚的电平，电 源模块用于为磁感应芯片、单片机及总线接口芯片供电。本发明还提出采用具有三个从动齿轮的传感器的绝对位置的角度检测方法，其特 征在于，包括两个部分，一是根据各齿轮齿数，建立三维MAP图，并储存在单片机内，二是单 片机采集各个磁感应芯片的输出值，经反正切计算得到各自对应的角度，查三维MAP图得 到输入转角。所述根据各齿轮齿数，建立三维MAP图，并储存在单片机内，具体包括1)根据所需量程，确定从动齿轮个数及转动输入齿轮与各从动齿轮的齿数；2)将转动输入齿轮的绝对转角作为横坐标，从动齿轮转角作为纵坐标，画出各从 动齿轮的转角与转动输入齿轮的转角的对应曲线；3)对步骤2)曲线中任意从动齿轮的相邻两个转角的0度值之间的区间进行编号， 计算各区间对应的角度偏移量；角度偏移量为该区间内任意从动齿轮转角的前一个0度值 所对应的转动输入齿轮的绝对转角值；4)将步骤2)曲线中对应转动输入齿轮的同一转角的三个从动齿轮的转角值作 为三维坐标空间的一个点(即三个从动齿轮的转角值分别为该点的三个坐标值)，画出三 维图，该三维图由多条线段组成，每条线段对应步骤3)中一个区间，线段编号与区间编号 --对应；5)将所述各线段的延长线与三维坐标空间中的一个二维坐标平面的交点作为该 线段的特征点；6)将步骤2)_5)得到的各线段编号、各线段对应的角度偏移量及特征点作为MAP 图，存储在单片机中；所述单片机采集各个磁感应芯片的输出值，经反正切计算得到各自对应的角度， 查三维MAP图得到输入转角，具体包括7)将被测转动物与转动输入齿轮相连，当被测转动物转动时，单片机实时采集各 磁感应芯片输出的正余弦值，并将正余弦值进行反正切计算之后得到各从动齿轮转动的角
5度值，将同一时刻得到的三个齿轮角度值对应三维坐标系中的一个点；8)通过所述点与所述MAP图中的线段平行的方向作直线，该直线与所述步骤5)中 所述的二维坐标平面的相交点为该时刻的检查点；9)在该二维坐标平面中查找与该检查点距离最近的特征点，再在MAP图中查找到 与该特征点对应的线段；10)根据该线段对应的角度偏移量和相应的从动齿轮角度值计算得到实际转动输 入齿轮的绝对位置角度，即被测转动物的绝对位置角度Ang。计算公式如下
权利要求
一种超大量程绝对位置角度传感器，其特征在于，该传感器包括组装成一体的外壳、转动输入齿轮、至少3个具有不同齿数的从动齿轮、分别与每个从动齿轮固连的磁铁、磁感应芯片、单片机、电源模块、总线接口芯片；其中，磁铁和磁感应芯片的个数均与从动齿轮的数目相同，磁铁与从动齿轮固连，磁感应芯片位于磁铁的下方；磁感应芯片、电源模块、总线接口芯片分别与单片机电连接，组成传感器的处理电路；所述磁感应芯片用于检测磁铁产生的磁场方向，单片机用于接收磁感应芯片的输出并计算对应的角度值，总线接口芯片用于转换外部总线的电平和单片机引脚的电平，电源模块用于为磁感应芯片、单片机及总线接口芯片供电。
2.一种采用具有三个从动齿轮的传感器的绝对位置的角度检测方法，其特征在于，包 括两个部分，一是根据各齿轮齿数，建立三维MAP图，并储存在单片机内，二是单片机采集 各个磁感应芯片的输出值，经反正切计算得到各自对应的角度，查三维MAP图得到输入转所述根据各齿轮齿数，建立三维MAP图，并储存在单片机内，具体包括1)根据所需量程，确定从动齿轮个数及转动输入齿轮与各从动齿轮的齿数；2)将转动输入齿轮的绝对转角作为横坐标，从动齿轮转角作为纵坐标，画出各从动齿 轮的转角与转动输入齿轮的转角的对应曲线；3)对步骤2)曲线中任意从动齿轮的相邻两个转角的0度值之间的区间进行编号，计算 各区间对应的角度偏移量；角度偏移量为该区间内任意从动齿轮转角的前一个0度值所对 应的转动输入齿轮的绝对转角值；4)将步骤2)曲线中对应转动输入齿轮的同一转角的三个从动齿轮的转角值作为三 维坐标空间的一个点(即三个从动齿轮的转角值分别为该点的三个坐标值)，画出三维图， 该三维图由多条线段组成，每条线段对应步骤3)中一个区间，线段编号与区间编号一一对 应；5)将所述各线段的延长线与三维坐标空间中的一个二维坐标平面的交点作为该线段 的特征点；6)将步骤2)-5)得到的各线段编号、各线段对应的角度偏移量及特征点作为MAP图，存 储在单片机中；所述单片机采集各个磁感应芯片的输出值，经反正切计算得到各自对应的角度，查三 维MAP图得到输入转角，具体包括7)将被测转动物与转动输入齿轮相连，当被测转动物转动时，单片机实时采集各磁感 应芯片输出的正余弦值，并将正余弦值进行反正切计算之后得到各从动齿轮转动的角度 值，将同一时刻得到的三个齿轮角度值对应三维坐标系中的一个点；8)通过所述点与所述MAP图中的线段平行的方向作直线，该直线与所述步骤5)中所述 的二维坐标平面的相交点为该时刻的检查点；9)在该二维坐标平面中查找与该检查点距离最近的特征点，再在MAP图中查找到与该 特征点对应的线段；10)根据该线段对应的角度偏移量和相应的从动齿轮角度值计算得到实际转动输入齿 轮的绝对位置角度，即被测转动物的绝对位置角度Ang。计算公式如下Jng = OA(X)+P Μ*— - M其中Μ为转动输入齿轮齿数，m为从动齿轮的齿数，P_N1为齿数为m的从动齿轮对应 的磁感应芯片的输出值得到的角度值，OA(χ)为编号为χ的线段的相对于齿数为m的从动 齿轮对应的角度偏移量。
全文摘要
本发明涉及超大量程绝对位置角度传感器及绝对位置的角度检测方法，属于测试测量传感器技术领域。该角度传感器包括组装成一体的外壳、转动输入齿轮、至少3个从动齿轮、与从动齿轮固连的磁铁、磁感应芯片、单片机、电源模块、总线接口芯片组成。其中，磁感应芯片与磁铁成对出现，空间上磁感应芯片位于磁铁下方。磁感应芯片、单片机、电源模块、总线接口芯片共同组成传感器的处理电路。该方法包括根据各齿轮齿数比，建立MAP图，并储存在单片机内，单片机采集各个磁感应芯片的输出值，经反正切计算得到各自对应的角度，查MAP图得到输入转角。本发明适用于要求测量范围较大、传感器输出绝对位置、传感器体积较小、角度测试精度较高的场合。
文档编号G01B7/30GK101975549SQ201010515478
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月15日 优先权日2010年10月15日
发明者于良耀, 吴凯辉, 宋健, 李东兵, 李亮, 李红志, 汪春华, 王进丁, 钟建军 申请人:昌辉汽车电气系统(安徽)有限公司;清华大学