冗余角位置传感器及相关联的使用方法与流程

背景技术：

1、许多行业，包括汽车、工业和航空航天工业，都对其位置感测系统提出了严格的可靠性要求。电位计在本领域中通常已知用于位置感测系统，专门用于确定电机控制或调节元件的位移角。尽管电位计是用于位置感测的相对便宜的解决方案，但是它们也易受不利环境条件的影响，并且随着时间的推移会因多次操作而导致故障。为了克服基于电位计的感测系统的缺点，非接触式位置传感器越来越多地用于满足严格的可靠性要求。非接触式位置传感器当前在本领域中是已知的，并且可以基于各种原理，包括感应、电容、霍尔效应或磁阻原理。

2、一种基于感应原理的非接触式传感器通常被称为感应位置传感器或解析器。一种感应位置传感器包括线圈组件，该线圈组件具有一个或多个励磁线圈和两个或更多个感测线圈。在感应位置传感器的操作中，将交流电(ac)注入到励磁线圈中，这导致在励磁线圈附近产生时变磁场。该时变磁场足以由于励磁线圈与感测线圈之间的相互磁耦合而在感测线圈中感应出时变电压。为了确定可旋转目标相对于线圈组件的角位置，导电目标可旋转地定位在励磁线圈与感测线圈之间的时变磁场内，并且通过气隙与线圈分离。相对于可旋转目标的位置，在时变磁场内存在可旋转目标会改变励磁线圈与感测线圈之间的相互磁耦合。励磁线圈与感测线圈之间的相互耦合的变化改变了感测线圈中感应的时变电压。由于感测线圈中感应出的电压变化的两者相对于可旋转目标相对于线圈组件的角位置是大致正弦的，因此可以测量感测线圈中的时变电压，并且可以根据测量来计算可旋转目标的角位置。

3、在一个或多个印刷电路板(pcb)上形成平面线圈以提供位置传感器的线圈组件在本领域中是已知的。对重量轻、成本低、可靠性高且抗噪能力强的位置传感器的需求在不断增加。虽然已知的感应位置传感器满足这些要求中的许多要求，但是各种安全关键应用程序也需要传感器冗余度。例如，在汽车工业中，制动踏板、油门踏板和发动机节气门机构需要冗余传感器解决方案，使得如果传感器中的一个传感器发生故障，则冗余传感器将继续正确地操作。

4、因此，本领域需要一种满足感测准确度和冗余度要求的非接触式角位置传感器。

技术实现思路

1、在各种实施方案中，本发明提供了一种用于利用冗余度来感测可旋转感应耦合元件的角位置的系统和方法。本发明的系统和方法提供了一种改进的、非接触式、感应式角位置传感器，该角位置传感器提供了冗余度，同时仍然以减小的形状因数满足感测准确度要求。

2、在特定实施方案中，本发明提供了一种冗余角位置传感器，该冗余角位置传感器包括第一角位置传感器和第二角位置传感器，其中第一角位置传感器被定位成与第二角位置传感器相邻。第一角位置传感器包括第一励磁线圈、第一感测线圈和第二感测线圈，第一感测线圈和第二感测线圈中的每一者包括相应的顺时针绕组部分和相应的逆时针绕组部分。第二角位置传感器包括第二励磁线圈、第三感测线圈和第四感测线圈，第三感测线圈和第四感测线圈中的每一者包括相应的顺时针绕组部分和相应的逆时针绕组部分。冗余角度位置传感器还包括可旋转感应耦合元件，该可旋转感应耦合元件被定位成与第一感测线圈、第二感测线圈、第三感测线圈和第四感测线圈成重叠关系并且通过间隙与它们分开，其中可旋转感应耦合元件包括四个扇区开孔，这些扇区开孔围绕可旋转感应耦合元件基本上均匀地径向间隔开。

3、在特定实施方案中，第一励磁线圈形成限定第一内部区域的第一半圆形区域，并且第一感测线圈和第二感测线圈定位在第一内部区域内，并且第二励磁线圈形成限定第二内部区域的第二半圆形区域，并且第三感测线圈和第四感测线圈定位在第二内部区域内。

4、另外，第一角位置传感器还包括第一电压源和第一接地节点，并且第二角位置传感器还包括独立于第一电压源的第二电压源和独立于第一接地节点的第二接地节点。

5、在另一个实施方案中，本发明提供了一种用于冗余地感测可旋转感应耦合元件的角位置的方法。该方法包括：在第一角位置传感器的第一励磁线圈、第一感测线圈和第二感测线圈之间建立磁耦合，以在第一感测线圈和第二感测线圈中感应时变电压，其中第一感测线圈和第二感测线圈中的每一者包括相应的顺时针绕组部分和相应的逆时针绕组部分；以及在第二角位置传感器的第二励磁线圈与第三感测线圈和第四感测线圈之间建立磁耦合，以在第三感测线圈和第四感测线圈中感应时变电压，其中第三感测线圈和第四感测线圈中的每一者包括相应的顺时针绕组部分和相应的逆时针绕组部分。该方法还包括：旋转可旋转感应耦合元件，该可旋转感应耦合元件包括围绕该可旋转感应耦合元件基本上均匀地径向间隔开的四个扇区开孔，可旋转感应耦合元件与第一感测线圈、第二感测线圈、第三感测线圈和第四感测线圈成重叠关系，并且通过间隙与第一感测线圈、第二感测线圈、第三感测线圈和第四感测线圈分开，可旋转感应耦合元件的扇区开孔的旋转位置响应于可旋转感应耦合元件的旋转而引起第一励磁线圈、第一感测线圈和第二感测线圈之间的磁耦合的变化，并且引起第二励磁线圈、第三感测线圈和第四感测线圈之间的磁耦合的变化。该方法附加包括：测量由于磁耦合的变化而在第一感测线圈和第二感测线圈中感应出的时变电压；确定可旋转感应耦合元件相对于第一感测线圈和第二感测线圈的位置的角位置；测量由于磁耦合的变化而在第三感测线圈和第四感测线圈中感应出的时变电压；以及确定可旋转感应耦合元件相对于第三感测线圈和第四感测线圈的位置的角位置。

6、这样，在各种实施方案中，本发明提供了一种冗余角位置传感器和用于冗余地感测可旋转感应耦合元件的角位置的方法。

技术特征：

1.一种冗余角位置传感器，包括：

2.根据权利要求1所述的冗余角位置传感器，其中所述第一励磁线圈形成限定第一内部区域的第一半圆形区域，并且其中所述第一感测线圈和所述第二感测线圈被定位在所述第一内部区域内。

3.根据权利要求1所述的冗余角位置传感器，其中所述第二励磁线圈形成限定第二内部区域的第二半圆形区域，并且其中所述第三感测线圈和所述第四感测线圈被定位在所述第二内部区域内。

4.根据权利要求1所述的冗余角位置传感器，其中所述第一角位置传感器还包括第一电压源和第一接地节点，并且所述第二角位置传感器还包括独立于所述第一电压源的第二电压源和独立于所述第一接地节点的第二接地节点。

5.根据权利要求1所述的冗余角位置传感器，其中所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈各自包括相应的顺时针绕组部分和相应的逆时针绕组部分。

6.根据权利要求2所述的冗余角位置传感器，其中所述第一感测线圈和所述第二感测线圈的所述相应的顺时针绕组部分和所述相应的逆时针绕组部分中的每一者另选地定位在所述第一内部区域的四个相等扇区中的相应的一个扇区内。

7.根据权利要求6所述的冗余角位置传感器，其中所述四个相等扇区中的每个扇区为22.5°的扇区。

8.根据权利要求3所述的冗余角位置传感器，其中所述第三感测线圈和所述第四感测线圈的所述相应的顺时针绕组部分和所述相应的逆时针绕组部分中的每一者另选地定位在所述第二内部区域的四个相等扇区中的相应的一个扇区内。

9.根据权利要求8所述的冗余角位置传感器，其中所述四个相等扇区中的每个扇区为22.5°。

10.根据权利要求1所述的冗余角位置传感器，其中所述四个扇区开孔占所述可旋转感应耦合元件的面积的大约25％。

11.根据权利要求1所述的冗余角位置传感器，其中所述可旋转感应耦合元件的面积的大约75％由非铁磁导电材料构成。

12.根据权利要求1所述的冗余角位置传感器，还包括：

13.一种冗余角位置传感器，包括：

14.一种用于冗余地感测可旋转感应耦合元件的角位置的方法，所述方法包括：

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一励磁线圈形成限定所述第一角位置传感器的第一内部区域的第一半圆形区域，并且其中所述第一感测线圈和所述第二感测线圈被定位在所述第一内部区域内。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述第二励磁线圈形成限定所述第二角位置传感器的第二内部区域的第二半圆形区域，并且其中所述第三感测线圈和所述第四感测线圈被定位在所述第二内部区域内。

17.根据权利要求14所述的方法，其中所述旋转所述可旋转感应耦合元件将至少部分地将所述扇区开孔中的第一扇区开孔定位在所述第一感测线圈或所述第二感测线圈的所述相应的顺时针绕组部分或所述相应的逆时针绕组部分中的至少一者上方，以引起所述第一励磁线圈与所述第一感测线圈或所述第二感测线圈之间的所述磁耦合的所述变化，并且至少部分地将所述扇区开孔中的第二扇区开孔定位在所述第三感测线圈或所述第三感测线圈的所述相应的顺时针绕组部分或所述相应的逆时针绕组部分中的至少一者上方，以引起所述第二励磁线圈与所述第三感测线圈或所述第二感测线圈之间的所述磁耦合的所述变化。

18.根据权利要求14所述的方法，其中测量由于所述磁耦合的所述变化而在所述第一感测线圈和所述第二感测线圈中感应出的所述时变电压并且确定所述可旋转感应耦合元件相对于所述第一感测线圈和所述第二感测线圈的所述位置的角位置还包括：

19.根据权利要求14所述的方法，其中测量由于所述磁耦合的所述变化而在所述第三感测线圈和所述第四感测线圈中感应出的所述时变电压并且确定所述可旋转感应耦合元件相对于所述第三感测线圈和所述第四感测线圈的所述位置的角位置还包括：

20.根据权利要求14所述的方法，还包括：为所述第一角位置传感器提供第一电压源和第一接地节点，并且为所述第二角位置传感器提供第二电压源和第二接地节点，其中所述第二电压源独立于所述第一电压源并且所述第二接地节点独立于所述第一接地节点。

21.根据权利要求14所述的方法，还包括：

22.根据权利要求14所述的方法，还包括：

23.根据权利要求14所述的方法，其中所述可旋转感应耦合元件的所述扇区开孔中的每一者的尺寸被设计为基本上覆盖所述第一感测线圈、所述第二感测线圈、所述第三感测线圈和所述第四感测线圈的所述相应的顺时针绕组部分或所述相应的逆时针绕组部分中的一者。

技术总结
本发明提供了一种冗余角位置传感器，该冗余角位置传感器包括第一角位置传感器和第二角位置传感器，该第一角位置传感器包括第一励磁线圈、第一感测线圈和第二感测线圈。该第二角位置传感器包括第二励磁线圈、第三感测线圈和第四感测线圈。该第一感测线圈、该第二感测线圈、该第三感测线圈和该第四感测线圈中的每一者包括相应的顺时针绕组部分和相应的逆时针绕组部分。该冗余角位置传感器还包括可旋转感应耦合元件，该可旋转感应耦合元件被定位成与感测线圈成重叠关系并且通过间隙与感测线圈分开，其中该可旋转感应耦合元件包括四个基本均匀地径向间隔开的扇区开孔。

技术研发人员：G·沙加
受保护的技术使用者：微芯片技术股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12