具有感应式角度传感器的位置扭矩传感器系统的制作方法

1.本公开涉及感应式位置和/或扭矩传感器，更具体地，涉及具有绝对角度传感器的位置和/或扭矩传感器。


背景技术：

2.本部分的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。
3.位置和/或扭矩传感器可用于各种应用中，以确定施加到轴的旋转运动的角位置和/或扭矩。例如，扭矩传感器通常用于车辆转向系统中以检测转向轴的旋转运动并将指示扭矩的数据提供给转向系统控制器，转向系统控制器继而调节车辆的动力转向辅助。
4.具有以感应式传感器形式的绝对角度传感器的位置和/或扭矩传感器通常检测旋转轴的角位置以确定所施加的扭矩。更具体地，感应式传感器可以包括具有一组接收线圈的定子、用于生成电磁场的励磁线圈、以及具有与接收线圈相同周期性的目标特征的转子。转子被布置成与轴一起旋转并且可相对于定子旋转。当转子旋转时，转子的目标特征影响接收线圈的感应特性。电联接到接收线圈的传感器电路接收指示感应特性的输出信号，并且基于该输出信号确定与目标特征相关联的角位置，并且因此确定与轴相关联的角位置。
5.在一些应用中，扭矩传感器可以采用具有不同结构周期性的两个绝对角度传感器来测量扭矩。一个角度传感器用于测量在轴的输入部分处的角位置，而另一个角度传感器用于测量在轴的输出部分处的角位置。连同其它信息一起，输入部分和输出部分的角位置被用于确定所施加的扭矩。


技术实现要素：

6.本部分提供了本公开的一般概述，而不是其全部范围或其所有特征的全面公开。
7.在一种形式中，本公开涉及一种位置扭矩传感器系统，其包括两个角度传感器，其中两个角度传感器中的每一个被配置成检测旋转运动。
8.两个角度传感器中的每一个包括转子和定子，定子包括励磁线圈和一组接收线圈。转子可响应于旋转运动而旋转以提供转子旋转运动，并且可相对于定子旋转。该一组接收线圈生成指示转子旋转运动的输出信号。
9.两个角度传感器的定子的一组接收线圈在结构上相同，两个角度传感器的转子在结构上相同。
10.在一些变型中，位置扭矩传感器系统还包括电联接到两个角度传感器的传感器控制器。传感器控制器被配置成从该一组接收线圈接收输出信号，对于角度传感器中的每一个，传感器控制器被配置成基于来自角度传感器的该一组接收线圈的输出信号来确定转子旋转运动的角位置。在一些变型中，传感器控制器还被配置成向两个角度传感器的励磁线圈提供输入电压。在一些变型中，输入电压是周期性电压。在一些变型中，传感器控制器还被配置成基于转子旋转运动的角位置之间的位移位置来确定转子旋转运动的扭矩。在一些变型中，该一组接收线圈包括至少两个线圈。在一些变型中，两个角度传感器的定子设置在
一个或多个电路板上。在一些变型中，位置扭矩传感器系统还包括设置在两个角度传感器之间的电磁屏障。
11.在一种形式中，本公开涉及一种位置扭矩传感器系统，其包括两个角度传感器，其中两个角度传感器中的每一个被配置成检测旋转运动。两个角度传感器中的每一个包括转子和定子，定子包括励磁线圈和被配置成具有正弦绕组的一组接收线圈。转子可响应于旋转运动而旋转以提供转子旋转运动，并且可相对于定子旋转。该一组接收线圈生成指示转子旋转运动的输出信号，并且两个角度传感器的定子的一组接收线圈在结构上相同，两个角度传感器的转子在结构上相同。
12.在一些变型中，位置扭矩传感器系统还包括传感器控制器，其电联接到两个角度传感器，其中传感器控制器被配置成基于输出信号确定转子旋转运动的特性。在一些变型中，传感器控制器被配置成基于来自角度传感器的该一组接收线圈的输出信号，针对角度传感器中的每一个，确定转子旋转运动的角位置作为特性。在一些变型中，传感器控制器还被配置成基于转子旋转运动的角位置之间的位移位置来确定转子旋转运动的扭矩。在一些变型中，传感器控制器电联接到两个角度传感器中的每一个的励磁线圈，以向励磁线圈提供输入电压信号。在一些变型中，输入电压是周期性电压。在一些变型中，两个角度传感器的定子设置在一个或多个电路板上。在一些变型中，位置扭矩传感器系统还包括设置在两个角度传感器之间的电磁屏障。在一些变型中，定子的该一组接收线圈包括两个或更多个线圈。
13.在一种形式中，本公开涉及一种位置扭矩传感器系统，其包括两个角度传感器和传感器控制器。两个角度传感器中的每一个被配置成检测旋转运动，并且两个角度传感器中的每一个包括转子和定子。转子可响应于旋转运动而旋转以提供转子旋转运动，并且可相对于定子旋转。定子包括励磁线圈和一组接收线圈，该一组接收线圈被配置成具有正弦绕组。该一组接收线圈生成指示转子旋转运动的输出信号。两个角度传感器的定子的一组接收线圈在结构上相同，两个角度传感器的转子在结构上相同。两个角度传感器的定子设置在一个或多个电路板上。传感器控制器电联接到两个角度传感器。传感器控制器被配置成基于来自角度传感器的至少两个接收线圈的输出信号，针对角度传感器中的每一个，确定转子旋转运动的角位置。
14.在一些变型中，传感器控制器还被配置成基于角位置之间的位移位置来确定转子旋转运动的扭矩。在一些变型中，位置扭矩传感器系统还包括设置在两个角度传感器之间的电磁屏障。
15.从本文提供的描述中，进一步的应用领域将变得明显的。应当理解，描述和具体示例仅用于说明目的，而非旨在限制本公开的范围。
附图说明
16.为了可以很好地理解本公开，现在将参考附图描述其以示例方式给出的各种形式，其中：
17.图1是根据本公开的教导的设置在轴上的位置扭矩传感器系统的立体图；
18.图2是图1的位置扭矩传感器系统的分解图；
19.图3是位置扭矩传感器系统的局部剖视图；
20.图4是位置扭矩传感器系统的分解局部剖视图；
21.图5示出了根据本公开教导的位置扭矩传感器系统的转子和具有定子的印刷电路板；
22.图6示出了根据本公开的教导的具有励磁线圈和与接收线圈相关联的角度信号相关的一组接收线圈的定子；
23.图7是根据本公开的教导的传感器控制器的框图；
24.图8示出了根据本公开的教导的与传感器控制器相关联的定子和转子的框图；
25.图9是根据本公开教导的具有集成印刷电路板的位置扭矩传感器系统的分解图，该集成印刷电路板具有用于两个角度传感器的定子；
26.图10是根据本公开教导的具有带有定子的集成印刷电路板的位置扭矩传感器系统的局部剖视图。
27.本文描述的附图仅用于说明目的，而不旨在以任何方式限制本公开的范围。
具体实施方式
28.以下描述本质上仅是示例性的，并且不旨在限制本公开、应用或用途。应当理解，在所有附图中，对应的附图标记表示相同或对应的部件和特征。
29.为了减小位置和/或扭矩传感器的尺寸，通常将两个角度传感器放置成彼此紧密接近。结果，来自输入轴角度传感器的电磁场耦合到输出轴角度传感器的电磁场，从而降低了差角或转矩的精度。为了减轻这种干扰，一些位置和/或扭矩传感器采用具有两种不同接收几何形状和两种不同耦合元件的两个角度传感器，其中接收线圈的绕组结构的周期性是不同的，并且在两种接收几何形状中具有大于一的整数关系。具有不同周期性的两个不同耦合结构可能增加复杂性和成本，因为两个不同绕组和目标结构采用两个不同工具。
30.本公开的位置扭矩传感器系统被配置成检测旋转轴的角位置，并且进一步通过采用两个感应式角度传感器来确定所施加的扭矩，这两个感应式角度传感器关于其中设置的转子和定子具有相同的结构配置。来自角度传感器的输出信号由传感器控制器处理以确定角位置和所施加的扭矩。为了减少干扰，在一种形式中，在两个感应式角度传感器之间提供电磁(em)屏障。通过采用具有相同结构的角度传感器，位置扭矩传感器系统可以降低系统、信号处理和/或形成系统的复杂性。应当容易理解，本公开的位置扭矩传感器系统的益处和特征不应限于这里提供的示例。
31.参考图1至图6，本公开的位置扭矩传感器系统100布置并固定到具有输入部分104和输出部分106的轴102。在示例性应用中，轴102是车辆(未示出)的转向柱的一部分，其中输入部分104从联接到转向柱的方向盘接收旋转运动，并且输出部分106将旋转运动传递到动力辅助转向(pas)系统，例如电动辅助转向系统。在一种形式中，轴102包括扭杆108，其连接在输入部分104和输出部分106之间，并由于旋转运动而扭转。施加到扭杆108的扭矩的量基本上等于施加到方向盘的扭矩的量减去施加到输出部分106的扭矩。基于扭杆108的扭矩，pas系统的控制系统提供动力辅助以移动车辆的方向盘。应当容易理解，虽然位置扭矩传感器系统100是关于pas系统应用描述的，但是本公开的位置扭矩传感器系统100可以用于其它应用中并且不限于pas系统。
32.在一种形式中，位置扭矩传感器系统100包括壳体110、两个感应式角度传感器
112a和112b(统称为“角度传感器112”)、电磁(em)屏障113和传感器控制器114。壳体110被配置成容纳位置扭矩传感器系统100的部件，例如角度传感器112、em屏障113和传感器控制器114。壳体110可以是能够组装并固定在一起以形成壳体110的多件式结构。例如，在图2中，壳体110包括两个结构构件116a和116b(统称为“结构构件116”)，它们限定了用于容纳位置扭矩传感器系统100的部件的空腔(未示出)。在一种形式中，结构构件116具有被配置成彼此接合以将结构构件116固定在一起的咬接特征118a和118b。可以采用其它紧固方法，例如焊接、化学粘合剂、螺栓、螺钉等。在一种形式中，壳体110包括输入和输出接口120，以将传感器控制器114电联接到外部控制器。
33.在一种形式中，角度传感器112是绝对角度传感器，并且被配置成生成指示轴102的角运动的输出信号。更具体地，角度传感器112与轴102同轴布置，并且具体地，与扭杆108同轴布置。在一种形式中，角度传感器112a设置在扭杆108的输入部分104处(即，输入角度传感器112a)，角度传感器112b设置在扭杆108的输出部分106处(即，输出角度传感器112b)。
34.在一种形式中，角度传感器112a、112b是相同的或具有类似的结构配置。因此，为了简洁起见，这里提供了关于角度传感器112a的配置的细节，并且这些细节也可应用于角度传感器112b。输入角度传感器112a和输出角度传感器112b的部件也可以通过分别使用术语输入或输出和/或字符“a”和“b”来彼此区分。
35.角度传感器112a包括定子130a和可相对于定子130a旋转的转子132a。在一种形式中，如图5和6所示，定子130a包括励磁线圈134(即，一个或多个励磁线圈)和一组接收线圈140-1和140-2(即，两个或多个接收线圈，统称为“接收线圈140”)。励磁线圈134电联接到传感器控制器114以接收交变电压信号，其通常由附图标记136标识。在非限制性示例中，励磁线圈134可以围绕定子130a的(一个或多个)接收线圈140周向地设置。励磁线圈134产生和/或增强电磁(em)场，并且因此激励角度传感器112a的定子130a和转子132a之间的感应耦合。
36.接收线圈140被设置为周期性绕组，诸如三角形、圆形或正弦绕组。在一种形式中，接收线圈140-1、140-2中的每一个都电联接到传感器控制器114以提供指示转子132a的角位置的输出信号，更具体地说，指示扭杆108的输入部分104的角位置的输出信号。输出信号可以作为与振荡波形相关联的输出电压来提供，该振荡波形的幅度由转子的角位置(即，转子角度)来调制。例如，如图6所示，接收线圈140-1提供与转子角度的正弦函数141-1相关联的输出信号(即，正弦关系141-1)，而接收线圈140-2提供与转子角度的余弦函数141-2相关联的输出信号(即，余弦关系141-1)。关于输出信号和转子角度(即，转子的角位置)的相关性的额外细节在下面提供。虽然示出了两个接收线圈140，但是定子130a可以包括另外的接收线圈140以提高角位置的精度。
37.转子132a可相对于相应的定子130a旋转，并且响应于施加在轴102上的旋转运动，并且更具体地，在示例性应用中，响应于施加在扭杆108上的扭矩。也就是说，转子132a可响应于旋转运动而旋转，以提供转子旋转运动。转子132a包括径向延伸且围绕转子132a周向分布的目标特征144。目标特征144被配置成具有与接收线圈140相同的周期性。另外，目标特征144被配置成相对于接收线圈140旋转并且越过接收线圈140，从而影响接收线圈140与励磁线圈134之间的感应耦合。更特别地，目标特征144被设计成改变感应耦合，并因此改变
输出ac信号的电压幅度。目标特征144的数量和目标特征144的分布不应限于图中提供的配置。
38.在图中，角度传感器112b包括定子130b和转子132b，它们以与定子130a和转子132a类似的方式构造(例如，用于两个定子130的接收线圈被设置为正弦绕组，并且转子132的目标特征相同)。在一种形式中，使用已知技术，定子130a和130b中的每一个被设置在印刷电路板(pcb)142a和142b上(参见图2、3和4)。
39.em屏障113被配置成隔离由相应的角度传感器112产生的em场，从而减小或抑制两个角度传感器112之间的串扰。在一种形式中，em屏障113设置在角度传感器112之间，更具体地，设置在定子130a、130b之间。在一种形式中，em屏障113由铜、黄铜、镍或其它合适的金属材料制成。在示例性应用中，em屏障113是设置在pcb142a、142b之间的独立的分离部件。
40.传感器控制器114电联接到角度传感器112以提供电力(例如，输入电压)并且处理来自角度传感器112的输出信号以确定转子132的角位置/运动(即，转子旋转运动的角位置)，该角位置/运动指示轴102的角位置/运动。具体地，施加到轴102的旋转运动指示转子132相对于定子130的角运动(即，转子旋转运动)。传感器控制器114被配置成确定由每个角度传感器112检测到的角位置，并且还基于角位置之间的差和其它信息(例如，扭杆的特性)来确定扭矩。
41.参考图7、8和9，在一种形式中，传感器控制器114包括驱动器模块150和位置扭矩确定(ptd)模块152。驱动器模块150被配置成生成电力并向定子130的励磁线圈134提供该电力，并且更具体地，提供周期性电压信号。例如，周期性电压信号具有交流(ac)频率源，该交流频率源具有振荡波形，例如周期性方波或正弦波形。在其它部件中，驱动器模块150可以包括用于向励磁线圈134提供必要电力的已知线圈驱动器。
42.在一种形式中，ptd模块152被配置成包括角度位置模块154和扭矩模块156。在一种形式中，角位置模块154被配置成对来自定子130的接收线圈140的输出信号执行信号分析，以确定转子132的绝对角位置，更具体地，确定扭杆108的输入部分104和输出部分106的绝对角位置。为了处理输出信号，角度位置模块154可以包括用于去除噪声的滤波器、解调电路和/或解码器，以及其它信号处理组件和/或软件。
43.更具体地，参照图8，提供了定子130a的励磁线圈134和接收线圈140、转子132a以及传感器控制器114的角度位置模块154。励磁线圈134联接到形成驱动器模块150的一部分的驱动器电路(dc)160，以向励磁线圈134提供电力(例如，输入电压)。除了其它部件之外，角度位置模块154包括分别联接到接收线圈140-1和140-2的解调电路(dmcir.)162-1和162-2(统称为解调电路162)。
44.在操作中，角度传感器112a作为具有一个初级励磁线圈和两个次级线圈(即，接收线圈140)的旋转变压器操作。励磁线圈134和接收线圈140之间的相互联接由转子132a的目标特征144调制，从而导致两个输出信号以正弦方式随角度变化。在所提供的示例中，解调电路162被配置为提供电压量，其指示与转子132a的角位置(即，θ)以及正弦关系141-1和余弦关系141-2相关联的幅度。角位置模块154还包括角度解码器(164)，其从解调电路162接收数据，并被配置成确定转子132a的角位置，并因此确定扭杆108的输入部分的角位置。因此，输出信号的电压被映射到相应的波形，并且可以确定角位置(即θ)。对来自角度传感器112b的定子130b的输出信号执行类似的处理，以确定转子132b的角位置。在下文中，转子
132a的角位置设置为θa，转子132b的角位置设置为θb。
45.通过使用角位置(θa和θb)，扭矩模块156被配置成确定扭杆108的扭矩，并因此确定轴102的扭矩。在一种形式中，扭矩模块156被配置成基于由角度传感器112检测到的角位置之间的差和扭杆108的特性来确定扭矩。也就是说，扭矩模块156确定位移角/位置(即，θd；θd＝θ
a-θb)并因此确定扭矩。
46.传感器控制器114可以设置在相同位置，或者分布在不同位置并相应地可通信地连接。例如，对于每个角度传感器112，传感器控制器114可以包括指示角度位置模块154的驱动电路和电路，其分别布置在具有定子130a和130b的pcb142a和142b处。扭矩模块156的功能可以设置在pcb中的一个上，其中扭矩模块156可通信联接到角度位置模块154的电路。在另一个示例中，扭矩模块156的功能可以在外部系统控制器处提供，该外部系统控制器可通信地联接到(一个或多个)角度位置模块154以接收角位置。在又一示例中，控制器114可以完全设置在壳体外部的外部控制器处，并且经由输入输出接口120电联接到角度传感器112。因此，传感器控制器114可以以各种合适的方式配置，并且不应限于本文提供的示例。另外，在附图中，附图标记114用于标识构成传感器控制器114的一个或多个部件，并且不旨在表达传感器控制器114的全部特征被设置在所示位置处。
47.在一个变型中，角度传感器112的定子130可以设置在单个pcb组件上。例如，参考图9和10，位置扭矩传感器系统200被配置成包括一个pcb202，该pcb包括在pcb组件202的第一侧上的定子130a和在pcb组件202的与第一侧相对的第二侧上的定子130b。因此，虽然未示出，定子130a的励磁线圈和接收线圈设置在第一侧上，定子130b的励磁线圈和接收线圈设置在第二侧上。此外，传感器控制器114的特征可以分布在pcb组件202的第一侧、第二侧或其组合上。虽然未示出，em屏障113可以集成在pcb组件202内以减少em干扰。
48.在另一变型中，如图6所示的接收线圈的正弦绕组配置优于诸如三角形或圆形的其它类型的绕组配置。利用正弦绕组，接收线圈的输出信号与转子角位置遵循正弦关系，从而降低了转子角位置计算或解码的计算复杂度。利用接收线圈140的正弦绕组配置，来自相邻角度传感器的干扰具有基本正弦内容而没有任何谐波。正弦绕组配置减少了干扰量，并因此提高了不同绕组配置之间的精度。另外，传感器控制器114可以被配置成执行附加滤波以减少来自接收线圈140的输出信号与定子130中的每一个的这种干扰，并且进一步提高转子位置检测的精度。此外，具有正弦绕组的定子130的接收线圈组140可以被配置成消除两个角度传感器112之间的干扰。这样，在位置扭矩传感器系统100或200中可以不采用em屏障113。在又一种变型中，两个角度传感器112可以被布置成分离一设定距离，其中该设定距离被定义为抑制em场之间的相互干扰。因此，在这种布置中，本公开的位置扭矩传感器系统可以不包括em屏障113。
49.除非另有明确说明，在描述本公开的范围时，所有表示机械/热特性、组成百分比、尺寸和/或公差或其它特性的数值应理解为由词语“约”或“大约”修饰。出于包括工业实践、制造技术和测试能力的各种原因，需要这种修改。
50.如这里所使用的，短语a、b和c中的至少一个应当解释为表示使用非排他逻辑or的逻辑(a或b或c)，并且不应当解释为表示“a中的至少一个、b中的至少一个和c中的至少一个”。
51.在本技术中，术语“控制器”和/或“模块”可以指以下各项、作为以下各项的一部分
或者包括以下各项：专用集成电路(asic)；数字、模拟或混合模拟/数字离散电路；数字、模拟或混合模拟/数字集成电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列(fpga)；执行代码的处理器电路(共享、专用或组)；存储器电路(共享、专用或群组)，其存储由所述处理器电路执行的代码；提供所述功能的其他合适的硬件组件；或者上述中的一些或全部的组合，例如在片上系统中。
52.本技术中描述的装置和方法可以部分地或完全地由通过配置通用计算机以执行计算机程序中包含的一个或多个特定功能而创建的专用计算机来实现。上述功能块、流程图组件和其它元件用作软件规范，其可以由熟练技术人员或程序员的例行工作转换成计算机程序。
53.本公开的描述本质上仅是示例性的，因此，不偏离本公开的实质的变型旨在处于本公开的范围内。这些变型不应认为是偏离本公开的精神和范围。