一种基于单绕组的电磁感应式角度传感器

本发明属于精密测量传感，具体涉及一种基于单绕组的电磁感应式角度传感器。

背景技术：

1、在精密角位移测量领域中，粗测、精测组合是实现高分辨力绝对角位移(角度)测量的一种有效技术方案。

2、cn109631749a公开了一种绝对式时栅角位移传感器，其通过粗测与精测结合的方式来实现绝对角位移测量。但是其仍然存在如下问题：(1)采用独立的激励绕组和感应绕组绕于定子齿上，激励绕组与感应绕组之间不可避免地存在寄生电容，从而对感应信号产生干扰；(2)激励绕组和感应绕组均绕于定子齿上，定子齿槽尺寸较大，齿槽部分的漏磁增大，并且绕线难度也较大，导致传感器绝对测量精度下降；(3)激励绕组与感应绕组紧密的距离，会给传感器信号带来误差成分。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于单绕组的电磁感应式角度传感器，以简化传感器结构，提高传感器绝对测量精度。

2、本发明所述的基于单绕组的电磁感应式角度传感器，包括定子、转子和信号处理电路；定子包括定子基体和传感绕组，定子基体为导磁的圆柱环，其内圆柱面沿周向间隔均匀地开设有4n个轴向贯通的横截面为扇形的槽，形成4n个扇形齿与4n个扇形槽交错分布的空间结构；转子为导磁的圆柱环，转子位于定子基体内与定子基体同轴，且与定子基体之间留有间隙，转子能相对定子转动。所述传感器还包括粗精切换电路。

3、所述转子的外壁具有沿周向排列且沿轴向贯通的p*n个凸齿，转子的断面外轮廓线(即凸齿的轮廓线)满足：θi∈[0,2π],i＝1,2,3,……；其中，θi表示转子的断面外轮廓线上的第i点与第1点所夹的圆心角，ρi表示转子的断面外轮廓线上的第i点与转子的断面圆心o之间的距离(对应于转子的断面外轮廓线上的第i点处的半径)，r表示转子半径阈值，e表示转子的长度因子，f表示转子的形状因子，a1表示精机的特征系数，a2表示粗机的特征系数，r、e、f、a1、a2都为确定量(即数值已知)，n、p为正整数，p>4，且p与4互质。

4、所述传感绕组由绕在4n个扇形齿上的4n个线圈组成，4n个线圈连接精密电阻组成电桥；4n个线圈组合形成精机绕组，通过粗精切换电路改变线圈连接关系使4n个线圈组合形成粗机绕组。

5、转子相对定子转动，上电工作时，先使粗机绕组作为电桥的一侧桥臂，在电桥输入端通入一路激励信号，电桥输出端输出感应信号，经信号处理电路处理得到粗测角度θ0，存储该粗测角度θ0，粗测角度θ0用于上电时对极定位；然后通过粗精切换电路切换使精机绕组作为电桥的一侧桥臂，电桥输出端输出感应信号，经信号处理电路处理得到精测角度θ′；将精测角度θ′与粗测角度θ0结合得到转子的绝对角度值β。一次上电测试只需使用一次粗机绕组，后续测量都使用精机绕组(即工作在精机状态)。

6、优选的，4n个线圈组合形成精机绕组的方式为：将其中某一个扇形齿称为1号定子齿，其余扇形齿沿周向依次称为2号定子齿至4n号定子齿。绕在4n-3号定子齿上的线圈相连，作为绕组段ⅰ。绕在4n-2号定子齿上的线圈相连，作为绕组段ⅱ。绕在4n-1号定子齿上的线圈相连，作为绕组段ⅲ。绕在4n号定子齿上的线圈相连，作为绕组段ⅳ。绕组段ⅰ与绕组段ⅲ连接，绕组段ⅲ与绕组段ⅱ连接，绕组段ⅱ与绕组段ⅳ连接，形成所述精机绕组。其中，n依次取1至n的所有整数。

7、绕组段ⅰ与绕组段ⅲ对应的转子位置互补，绕组段ⅱ与绕组段ⅳ对应的转子位置互补，绕组段ⅰ与绕组段ⅲ连接、绕组段ⅱ与绕组段ⅳ连接后磁导可近似抵消，满足激励恒定的条件；同时，绕组段ⅰ与绕组段ⅲ、绕组段ⅱ与绕组段ⅳ在相对位置处可以近似抵消由于粗机偏心给精机带来的误差影响。

8、4n个线圈组合形成粗机绕组的方式，因n为偶数或者奇数而组合方式不同，可概括为：一个绕组段占180°间隔一个定子齿绕线、两相邻绕组段重叠90°分布。

9、优选的，当n为偶数时，4n个线圈组合形成粗机绕组的方式为：绕在3n+2m1-1号定子齿和2m1-1号定子齿上的线圈相连，作为绕组段a；其中，m1依次取1至的所有整数。绕在2m2号定子齿上的线圈相连，作为绕组段b。绕在n+2m2-1号定子齿上的线圈相连，作为绕组段c。绕在2n+2m2号定子齿上的线圈相连，作为绕组段d。其中，m2依次取1至n的所有整数。绕组段a与绕组段c连接，绕组段c与绕组段b连接，绕组段b与绕组段d连接，形成所述粗机绕组。

10、绕组段a与绕组段c对应的转子位置处的气隙互补，绕组段b与绕组段d对应的转子位置处的气隙互补，绕组段a与绕组段c连接、绕组段b与绕组段d连接后磁导可近似抵消，满足激励恒定的条件；同时，绕组段a与绕组段c、绕组段b与绕组段d在对应转子位置处互补，可以近似抵消精机凸齿给粗机带来的误差影响。

11、优选的，所述粗精切换电路包括与线圈连接的9个二选一模拟开关；9个二选一模拟开关分别设置在9个切换节点处，9个切换节点所对应的定子齿分别为：n-3号定子齿、n-1号定子齿、3n-3号定子齿、3n-1号定子齿、2n-2号定子齿、4n号定子齿、4n-3号定子齿、4n-2号定子齿、4n-1号定子齿。具体的：第1个二选一模拟开关的三个接口分别连接绕在n-3号定子齿上的线圈、绕在n+1号定子齿上的线圈、绕在3号定子齿上的线圈。第2个二选一模拟开关的三个接口分别连接绕在n-1号定子齿上的线圈、绕在n+3号定子齿上的线圈、绕在3n+1号定子齿上的线圈。第3个二选一模拟开关的三个接口分别连接绕在3n-3号定子齿上的线圈、绕在3n+1号定子齿上的线圈、绕在n+3号定子齿上的线圈。第4个二选一模拟开关的三个接口分别连接绕在3n-1号定子齿上的线圈、绕在3n+3号定子齿上的线圈、绕在2号定子齿上的线圈。第5个二选一模拟开关的三个接口分别连接绕在2n-2号定子齿上的线圈、绕在2n+2号定子齿上的线圈、绕在4号定子齿上的线圈。第6个二选一模拟开关的三个接口分别连接绕在4n号定子齿上的线圈、电桥输入端的另一接线端子cos-、绕在2n+2号定子齿上的线圈。第7个二选一模拟开关的三个接口分别连接绕在4n-3号定子齿上的线圈、绕在3号定子齿上的线圈、绕在3n+3号定子齿上的线圈。第8个二选一模拟开关的三个接口分别连接绕在4n-2号定子齿上的线圈、绕在4号定子齿上的线圈、电桥输入端的另一接线端子cos-。第9个二选一模拟开关的三个接口分别连接绕在4n-1号定子齿上的线圈、绕在2号定子齿上的线圈、绕在n+1号定子齿上的线圈。利用粗精切换电路可实现精机和粗机共用转子、定子及线圈，分时测量。

12、优选的，所述粗精切换电路还包括2个二选一模拟开关。所述精密电阻包括电阻r1、电阻r2、电阻r3和电阻r4。电阻r1的一端作为电桥输入端的一接线端子cos+，连接绕在1号定子齿上的线圈。电阻r4的一端作为电桥输入端的另一接线端子cos-，通过第6个二选一模拟开关的一个接口连接绕在4n号定子齿上的线圈(属于绕组段ⅳ)通过第8个二选一模拟开关的一个接口连接绕在4n-2号定子齿上的线圈(属于绕组段d)。所述激励信号通过电桥输入端的一接线端子cos+、另一接线端子cos-输入。电阻r1的另一端连接电阻r2的一端，且作为电桥输出端的第一接线端子v1，输出感应信号u1。电桥输出端的第二接线端子s1通过一个二选一模拟开关连接绕在4n-3号定子齿上的线圈(属于绕组段ⅰ)和绕在4n-1号定子齿上的线圈(属于绕组段a)，且输出感应信号u2。电阻r2的另一端连接电阻r3的一端、绕在2号定子齿上的线圈以及绕在4n-1号定子齿上的线圈(属于绕组段ⅲ)或者绕在3n-1号定子齿上的线圈(属于绕组段c)。电阻r3的另一端连接电阻r4的另一端，且作为电桥输出端的第三接线端子v2，输出感应信号u3。电桥输出端的第四接线端子s2通过一个二选一模拟开关连接绕在4n-2号定子齿上的线圈(属于绕组段ⅱ)和绕在2n号定子齿上的线圈(属于绕组段b)，且输出感应信号u4。感应信号u1、感应信号u2、感应信号u3、感应信号u4输入至信号处理电路进行处理。

13、优选的，当n为奇数时，4n个线圈组合形成粗机绕组的方式为：

14、绕在3n+2m3号定子齿和2m3-1号定子齿上的线圈相连，作为绕组段a；其中，m3依次取1至的所有整数。绕在2m4号定子齿上的线圈相连，作为绕组段b；绕在n+2m4号定子齿上的线圈相连，作为绕组段c；绕在2n+2m4号定子齿上的线圈相连，作为绕组段d；其中，m4依次取1至n-1的所有整数。绕组段a与绕组段c连接，绕组段c与绕组段b连接，绕组段b与绕组段d连接，形成所述粗机绕组。

15、绕组段a与绕组段c对应的转子位置处的气隙互补，绕组段b与绕组段d对应的转子位置处的气隙互补，绕组段a与绕组段c连接、绕组段b与绕组段d连接后磁导可近似抵消，满足激励恒定的条件；同时，绕组段a与绕组段c、绕组段b与绕组段d在对应转子位置处互补，可以近似抵消精机凸齿给粗机带来的误差影响。当n为奇数时，为使绕组段a与绕组段c完全正交、绕组段b与绕组段d完全正交，绕在n、2n、3n、4n四个定子齿上的线圈不作为粗机绕组的一部分，不接入电桥中。

16、优选的，所述粗精切换电路包括与线圈连接的12个二选一模拟开关；12个二选一模拟开关分别设置在12个切换节点处，12个切换节点所对应的定子齿分别为：n-4号定子齿、n+4号定子齿、n-2号定子齿、3n-4号定子齿、3n+4号定子齿、3n-2号定子齿、2n-4号定子齿、2n+4号定子齿、4n-4号定子齿、4n-3号定子齿、4n-2号定子齿、4n-1号定子齿。具体为：第1个二选一模拟开关的三个接口分别连接绕在n-4号定子齿上的线圈、绕在n号定子齿上的线圈、绕在3号定子齿上的线圈。第2个二选一模拟开关的三个接口分别连接绕在n+4号定子齿上的线圈、绕在n号定子齿上的线圈、绕在4n-1号定子齿上的线圈。第3个二选一模拟开关的三个接口分别连接绕在n-2号定子齿上的线圈、绕在n+2号定子齿上的线圈、绕在3n+2号定子齿上的线圈。第4个二选一模拟开关的三个接口分别连接绕在3n-4号定子齿上的线圈、绕在3n号定子齿上的线圈、绕在2号定子齿上的线圈。第5个二选一模拟开关的三个接口分别连接绕在3n+4号定子齿上的线圈、绕在3n号定子齿上的线圈、绕在4n-3号定子齿上的线圈。第6个二选一模拟开关的三个接口分别连接绕在3n-2号定子齿上的线圈、绕在3n+2号定子齿上的线圈、绕在n+2号定子齿上的线圈。第7个二选一模拟开关的三个接口分别连接绕在2n-4号定子齿上的线圈、绕在2n号定子齿上的线圈、绕在4号定子齿上的线圈。第8个二选一模拟开关的三个接口分别连接绕在2n+4号定子齿上的线圈、绕在2n号定子齿上的线圈、绕在4n-4号定子齿上的线圈。第9个二选一模拟开关的三个接口分别连接绕在4n-4号定子齿上的线圈、绕在4n号定子齿上的线圈、绕在2n+4号定子齿上的线圈。第10个二选一模拟开关的三个接口分别连接绕在4n-3号定子齿上的线圈、绕在3号定子齿上的线圈、绕在3n+4号定子齿上的线圈。第11个二选一模拟开关的两个接口分别连接绕在4n-2号定子齿上的线圈、绕在4号定子齿上的线圈，另一个接口悬空。第12个二选一模拟开关的三个接口分别连接绕在4n-1号定子齿上的线圈、绕在2号定子齿上的线圈、绕在n+4号定子齿上的线圈。利用粗精切换电路可实现精机和粗机共用转子、定子及线圈，分时测量。

17、优选的，所述粗精切换电路还包括3个二选一模拟开关。所述精密电阻包括电阻r1、电阻r2、电阻r3和电阻r4。电阻r1的一端作为电桥输入端的一接线端子cos+，连接绕在1号定子齿上的线圈。电阻r4的一端作为电桥输入端的另一接线端子cos-，通过一个二选一模拟开关连接绕在4n号定子齿上的线圈(属于绕组段ⅳ)和绕在4n-2号定子齿上的线圈(属于绕组段d)。所述激励信号通过电桥输入端的一接线端子cos+、另一接线端子cos-输入。电阻r1的另一端连接电阻r2的一端，且作为电桥输出端的第一接线端子v1，输出感应信号u1。电桥输出端的第二接线端子s1通过一个二选一模拟开关连接绕在4n-3号定子齿上的线圈(属于绕组段ⅰ)和绕在4n-1号定子齿上的线圈(属于绕组段a)，且输出感应信号u2。电阻r2的另一端连接电阻r3的一端、绕在2号定子齿上的线圈以及绕在4n-1号定子齿上的线圈(属于绕组段ⅲ)或者绕在3n-4号定子齿上的线圈(属于绕组段c)。电阻r3的另一端连接电阻r4的另一端，且作为电桥输出端的第三接线端子v2，输出感应信号u3。电桥输出端的第四接线端子s2通过一个二选一模拟开关连接绕在4n-2号定子齿上的线圈(属于绕组段ⅱ)和绕在2n-2号定子齿上的线圈(属于绕组段b)，且输出感应信号u4。感应信号u1、感应信号u2、感应信号u3、感应信号u4输入至信号处理电路进行处理。

18、优选的，所述信号处理电路包括运算放大器a3、运算放大器a4、滤波器lpf1、滤波器lpf2、移相电路、加法电路、鉴相电路和微处理器；微处理器产生所述激励信号，并控制二选一模拟开关动作(即进行切换)。

19、感应信号u1、感应信号u2经运算放大器a3放大、滤波器lpf1滤波、移相电路移相90°后得到驻波信号u12；感应信号u3、感应信号u4经运算放大器a4放大、滤波器lpf2滤波后得到驻波信号u34；驻波信号u12、驻波信号u34经加法电路处理后，得到行波信号u；将行波信号u与所述激励信号送入鉴相电路进行鉴相处理，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，再经微处理器运算后，得到粗测角度θ0或者精测角度θ′；微处理器将精测角度θ′与粗测角度θ0结合得到转子的绝对角度值β。

20、本发明与现有技术相比，具有如下效果：

21、(1)采用单绕组(绕在4n个扇形齿上的4n个线圈)作为传感绕组，每个扇形齿上仅绕制一个匝数相等的线圈，通过不同的组合使4n个线圈既作激励绕组，也作感应绕组(包括精机绕组和粗机绕组)；与现有的绝对式时栅角位移传感器整体结构相比，由精粗机独立的两套传感单元变为精粗机分时共用的一套传感单元(传感绕组)，减少了绕组数量，简化了传感器自身的结构。

22、(2)与现有交替绕制法(每个定子齿上包括两个线圈)和多匝数绕制法(每个定子齿上包括三个线圈)相比，单绕组(每个定子齿上只有一个线圈)避免了同一个定子齿上两个或三个线圈之间产生共生电容的问题，从而避免了信号干扰，提高了传感器绝对测量精度。

23、(3)与现有的绝对式时栅角位移传感器相比，通过粗精切换电路，实现线圈复用(既作精机绕组，又作粗机绕组)，只需在定子齿上绕一次线即可实现绝对测量。

24、(4)转子的凸齿形状由曲线ρi限定，使气隙磁导率的变化近似于正弦变化，且精机和粗机的参数设计到同一转子中，实现了转子复用。