绝对角度位置传感器及其检测系统的制作方法

本发明涉及一种传感器领域，尤其涉及一种绝对角度位置传感器及其检测系统。

背景技术：

在工业化迅速发展的当下，增量式编码器产品由于其结构简单，可易于实现较大分辨率和测量精度，应用最为广泛。但是增量式编码器测量是在脉冲或者计数累加基础上实现的，因而使其容易受断电和外界干扰，在很多领域和环境下限制了其应用。这就为绝对式角度传感器的应用和研究提供了广阔的空间，绝对式测量具备了开机无需寻零、数据稳定性高、具有断电保护等特点，被越来越广泛的应用于传感器设计中。

绝对式角度传感器为了达到高精度，一般采用如下两种原理构成：一种是调制式，如感应同步器、旋转变压器和自整角机；一种是非调制式，如光栅、磁栅和容栅等，通过上述两种方式，精度可以达到0.5″甚至更高；但是上述的两种绝对角度位置传感器却存在如下共同缺点：一是电气系统比较复杂，必须依靠复杂的电路以及算法才能够保证精度，造成成本高昂，而且随着使用时间的，电路自身的特性，比如元器件的温漂等，将导致传感器的精度下降；而是必须依赖精密的刻划技术：例如高精度的光栅需要栅线又密又要精确，从而造成在生产制造难度大，进一步提高了成本。

因此，为了解决上述技术问题，亟需提出一种新的绝对角度位置传感器。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种绝对角度位置传感器，能够对检测目标的绝对角度位置进行准确检测并能够达到现有的传感器的精度，而且不需要复杂的电路系统以及算法，也不需要进行复杂的刻划技术，从而能够有效降低制造难度，大大降低生产成本和使用成本。

本发明提供的一种绝对角度位置传感器，包括转子和定子；

所述定子上设置有第一激励绕组ⅰ、第一激励绕组ⅱ、第二激励绕组ⅰ和第二激励绕组ⅱ，所述第一激励绕组ⅰ和第一激励绕组ⅱ输入频率相同但时间正交的交流信号；所述第二激励绕组ⅰ和第二激励绕组ⅱ输入频率相同但时间正交的交流信号；

所述转子设置有与第一激励绕组ⅰ和第一激励绕组ⅱ对应的第一感应绕组和第二激励绕组ⅰ和第二激励绕组ⅱ对应的第二感应绕组。

进一步，从第一激励绕组ⅰ起始绕线位置起，位于定子前z/2个的定子齿的第一激励绕组ⅰ的绕线方向相同，位于定子后z/2个的定子齿的第一激励绕组ⅰ的绕线方向相同且与定子前z/2个的定子齿的第一激励绕组ⅰ的绕线方向相反；

所述第一激励绕组ⅱ的起始绕线位置与第一激励绕组ⅰ的起始绕线位置相差z/4各齿距，所述第一激励绕组ⅱ与第一激励绕组ⅰ的绕线结构相同；

其中，z为定子总的齿数。

进一步，所述第二激励绕组ⅰ的起始绕线位置与第一激励绕组ⅰ的起始绕线位置位于同一定子齿，所述第二激励绕组ⅱ的起始绕线位置与第二激励绕组ⅰ的起始绕线位置相距z/4p个齿距，其中，z为定子总的齿数，p为极对数；

所述第二激励绕组ⅰ从绕线起始位置开始以每隔z/2p个定子齿改变绕线方向的方式绕制于定子；

所述第二激励绕组ⅱ从绕线起始位置开始以每隔z/2p个定子齿改变绕线方向的方式绕制于定子。

进一步，所述第一感应绕组的线圈所跨齿数与第一激励绕组ⅰ和第一激励绕组ⅱ的线圈所跨齿数相同，从第一感应绕组的起始绕线位置开始，位于转子前q/2转子齿的第一感应绕组的绕线方向相同，位于转子后q/2个转子齿的第一感应绕组的绕线方向相同且与位于转子前q/2转子齿的第一感应绕组的绕线方向相反；

所述第二感应绕组的线圈所跨齿数与第二激励绕组ⅰ和第二激励绕组ⅱ的线圈所跨齿数相同，从第二感应绕组的起始绕线位置开始，位于转子前q/2转子齿的第二感应绕组的绕线方向相同，位于转子后q/2个转子齿的第二感应绕组的绕线方向相同且与位于转子前q/2转子齿的第二感应绕组的绕线方向相反；其中，q为转子的总齿数；

所述第一感应绕组和第二感应绕组的绕线起始位置位于同一转子齿。

相应地，本发明还提供了一种绝对角度位置检测系统，包括角度传感器和处理单元；

所述角度传感器包括转子和定子；

所述定子上设置有第一激励绕组ⅰ、第一激励绕组ⅱ、第二激励绕组ⅰ和第二激励绕组ⅱ，所述第一激励绕组ⅰ和第一激励绕组ⅱ输入频率相同但时间正交的交流信号；所述第二激励绕组ⅰ和第二激励绕组ⅱ输入频率相同但时间正交的交流信号；

所述转子设置有与第一激励绕组ⅰ和第一激励绕组ⅱ对应的第一感应绕组和第二激励绕组ⅰ和第二激励绕组ⅱ对应的第二感应绕组；

所述处理单元具有两个输入端且分别与第一感应绕组和第二感应绕组连接。

进一步，从第一激励绕组ⅰ起始绕线位置起，位于定子前z/2个的定子齿的第一激励绕组ⅰ的绕线方向相同，位于定子后z/2个的定子齿的第一激励绕组ⅰ的绕线方向相同且与定子前z/2个的定子齿的第一激励绕组ⅰ的绕线方向相反；

所述第一激励绕组ⅱ的起始绕线位置与第一激励绕组ⅰ的起始绕线位置相差z/4各齿距，所述第一激励绕组ⅱ与第一激励绕组ⅰ的绕线结构相同；

其中，z为定子总的齿数。

进一步，所述第二激励绕组ⅰ的起始绕线位置与第一激励绕组ⅰ的起始绕线位置位于同一定子齿，所述第二激励绕组ⅱ的起始绕线位置与第二激励绕组ⅰ的起始绕线位置相距z/4p个齿距，其中，z为定子总的齿数，p为极对数；

所述第二激励绕组ⅰ从绕线起始位置开始以每隔z/2p个定子齿改变绕线方向的方式绕制于定子；

所述第二激励绕组ⅱ从绕线起始位置开始以每隔z/2p个定子齿改变绕线方向的方式绕制于定子。

进一步，所述第一感应绕组的线圈所跨齿数与第一激励绕组ⅰ和第一激励绕组ⅱ的线圈所跨齿数相同，从第一感应绕组的起始绕线位置开始，位于转子前q/2转子齿的第一感应绕组的绕线方向相同，位于转子后q/2个转子齿的第一感应绕组的绕线方向相同且与位于转子前q/2转子齿的第一感应绕组的绕线方向相反；

所述第二感应绕组的线圈所跨齿数与第二激励绕组ⅰ和第二激励绕组ⅱ的线圈所跨齿数相同，从第二感应绕组的起始绕线位置开始，位于转子前q/2转子齿的第二感应绕组的绕线方向相同，位于转子后q/2个转子齿的第二感应绕组的绕线方向相同且与位于转子前q/2转子齿的第二感应绕组的绕线方向相反；其中，q为转子的总齿数；

所述第一感应绕组和第二感应绕组的绕线起始位置位于同一转子齿。

进一步，所述处理单元包括输入电路和处理电路；

所述输入电路包括第一放大电路、第二放大电路、第一鉴相器、第二鉴相器、第一计数器、第二计数器以及时钟电路；

所述第一放大电路的输入端与第一感应绕组连接，第一放大电路的输出端与第一鉴相器的输入端连接，所述第一鉴相器的输出端与第一计数器连接，所述第一计数器与处理电路连接；

所述第二放大电路的输入端与第二感应绕组连接，第二放大电路的输出端与第二鉴相器的输入端连接，所述第二鉴相器的输出端与第二计数器连接，所述第二计数器与处理电路连接；

所述时钟电路的输出端分别于第一鉴相器和第二鉴相器连接。

进一步，所述处理电路根据如下方法计算被测目标的绝对角度位移值：

其中，b为处理电路输出的被测目标的绝对角度位移值，p为极对数，n为常数，w1为第一绕组的绕组节距，w2为第二绕组的绕组节距，f为输入的激励信号的频率，∑pt1为第一鉴相器输出信号的时钟脉冲累计数，∑pt2第二鉴相器输出信号的时钟脉冲累计数。

本发明的有益效果，通过本发明，能够对检测目标的绝对角度位置进行准确检测并能够达到现有的传感器的精度，而且不需要复杂的电路系统以及算法，也不需要进行复杂的刻划技术，从而能够有效降低制造难度，大大降低生产成本和使用成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的传感器的定子结构示意图。

图2为本发明的传感器的转子结构示意图。

图3为本发明的定子绕组具体实例图。

图4为本发明的转子和定子组合后结构示意图。

图5为本发明的电路原理示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的作出进一步详细说明，如图所示，本发明提供的一种绝对角度位置传感器，包括转子和定子；

所述定子上设置有第一激励绕组ⅰ4、第一激励绕组ⅱ5、第二激励绕组ⅰ3和第二激励绕组ⅱ2，所述第一激励绕组ⅰ4和第一激励绕组ⅱ5输入频率相同但时间正交的交流信号；所述第二激励绕组ⅰ3和第二激励绕组ⅱ2输入频率相同但时间正交的交流信号；

所述转子设置有与第一激励绕组ⅰ和第一激励绕组ⅱ对应的第一感应绕组6和第二激励绕组ⅰ和第二激励绕组ⅱ对应的第二感应绕组7，通过本发明的这种结构，能够有效提高检测目标的绝对角度位置的检测精度以及最终的输出精度，而且不会过多引入电子元部件，结构简单，制造方便，本发明中，由第一感应绕组输出的感应信号得出的值并不作为最终的结果，而是用于对第二感应绕组输出的值进行修正和补充，从而提高精确性。

本实施例中，从第一激励绕组ⅰ起始绕线位置起，位于定子前z/2个的定子齿1的第一激励绕组ⅰ4的绕线方向相同，位于定子后z/2个的定子齿1的第一激励绕组ⅰ4的绕线方向相同且与定子前z/2个的定子齿的第一激励绕组ⅰ4的绕线方向相反；

所述第一激励绕组ⅱ5的起始绕线位置与第一激励绕组ⅰ4的起始绕线位置相差z/4各齿距，所述第一激励绕组ⅱ与第一激励绕组ⅰ的绕线结构相同；

其中，z为定子总的齿数；

以图3为例，图3中，定子齿1的个数为z＝16个，图示a的位置未第一激励绕组ⅰ4的起始绕线位置，那么第一激励绕组ⅱ的起始绕线位置为相差z/4处，即图示中c所在位置；从a开始，位于定子前z/2个定子齿的第一激励绕组ⅰ4的绕线方向相同，即从a到d上这些定子齿上的第一激励绕组ⅰ4为同一方向绕线，比如顺时针方向，那么从d的下一个齿到a的上一个齿的每一个齿上的第一激励绕组ⅰ4的绕线方向也同样相同，但是与从a到d上的绕线方向相反，为逆时针方向；第一激励绕组ⅱ的起始位置在c，从c开始，位于定子前z/2个定子齿的第一激励绕组ⅱ5的绕线方向相同，即从c到e上这些定子齿上的第一激励绕组ⅱ5为同一方向绕线，比如顺时针方向，那么从e的下一个齿到c的上一个齿的每一个齿上的第一激励绕组ⅱ5的绕线方向也同样相同，但是与从a到d上的绕线方向相反，为逆时针方向；从a到d的第一激励绕组ⅰ的绕线方向与从c到e的第一激励绕组ⅱ的绕线方向相同。

本实施例中，所述第二激励绕组ⅰ3的起始绕线位置与第一激励绕组ⅰ4的起始绕线位置位于同一定子齿，所述第二激励绕组ⅱ2的起始绕线位置与第二激励绕组ⅰ3的起始绕线位置相距z/4p个齿距，其中，z为定子总的齿数，p为极对数；

所述第二激励绕组ⅰ3从绕线起始位置开始以每隔z/2p个定子齿改变绕线方向的方式绕制于定子；

所述第二激励绕组ⅱ2从绕线起始位置开始以每隔z/2p个定子齿改变绕线方向的方式绕制于定子；

以图3为例，图3中的定子共有16个齿，其中，极对数p＝4，第二激励绕组ⅰ与第一激励绕组ⅰ的绕线起始位置相同，则均在a齿上，那么，第二激励绕组ⅱ与第二激励绕组ⅰ的起始位置相差16/4*4＝1，那么第二激励绕组ⅱ的起始位置为图3中的b定子齿，并且两个第二激励绕组每隔2个定子齿就要改变一次绕线方向。

本实施例中，所述第一感应绕组6的线圈所跨齿数与第一激励绕组ⅰ4和第一激励绕组ⅱ5的线圈所跨齿数相同，从第一感应绕组6的起始绕线位置开始，位于转子前q/2转子齿8的第一感应绕组6的绕线方向相同，位于转子后q/2个转子齿8的第一感应绕组的绕线方向相同且与位于转子前q/2转子齿的第一感应绕组的绕线方向相反；

所述第二感应绕组7的线圈所跨齿数与第二激励绕组ⅰ3和第二激励绕组ⅱ2的线圈所跨齿数相同，从第二感应绕组7的起始绕线位置开始，位于转子前q/2转子齿的第二感应绕组的绕线方向相同，位于转子后q/2个转子齿的第二感应绕组的绕线方向相同且与位于转子前q/2转子齿的第二感应绕组的绕线方向相反；其中，q为转子的总齿数；

所述第一感应绕组和第二感应绕组的绕线起始位置位于同一转子齿；通过上述结构，能够保证传感器的信号正交性，从而简化后续的处理算法提供保证，并且能够保证最终的检测精度。

相应地，本发明还提供了一种绝对角度位置检测系统，包括角度传感器和处理单元；

所述角度传感器包括转子和定子；

所述定子上设置有第一激励绕组ⅰ、第一激励绕组ⅱ、第二激励绕组ⅰ和第二激励绕组ⅱ，所述第一激励绕组ⅰ和第一激励绕组ⅱ输入频率相同但时间正交的交流信号；所述第二激励绕组ⅰ和第二激励绕组ⅱ输入频率相同但时间正交的交流信号；

所述转子设置有与第一激励绕组ⅰ和第一激励绕组ⅱ对应的第一感应绕组和第二激励绕组ⅰ和第二激励绕组ⅱ对应的第二感应绕组；

所述处理单元具有两个输入端且分别与第一感应绕组和第二感应绕组连接，通过上述结构，能够有效提高检测目标的绝对角度位置的检测精度以及最终的输出精度，而且不会过多引入电子元部件，结构简单，制造方便。

本实施例中，从第一激励绕组ⅰ起始绕线位置起，位于定子前z/2个的定子齿的第一激励绕组ⅰ的绕线方向相同，位于定子后z/2个的定子齿的第一激励绕组ⅰ的绕线方向相同且与定子前z/2个的定子齿的第一激励绕组ⅰ的绕线方向相反；

所述第一激励绕组ⅱ的起始绕线位置与第一激励绕组ⅰ的起始绕线位置相差z/4各齿距，所述第一激励绕组ⅱ与第一激励绕组ⅰ的绕线结构相同；

其中，z为定子总的齿数。

本实施例中，所述第二激励绕组ⅰ的起始绕线位置与第一激励绕组ⅰ的起始绕线位置位于同一定子齿，所述第二激励绕组ⅱ的起始绕线位置与第二激励绕组ⅰ的起始绕线位置相距z/4p个齿距，其中，z为定子总的齿数，p为极对数；

所述第二激励绕组ⅰ从绕线起始位置开始以每隔z/2p个定子齿改变绕线方向的方式绕制于定子；

所述第二激励绕组ⅱ从绕线起始位置开始以每隔z/2p个定子齿改变绕线方向的方式绕制于定子。

本实施例中，所述第一感应绕组的线圈所跨齿数与第一激励绕组ⅰ和第一激励绕组ⅱ的线圈所跨齿数相同，从第一感应绕组的起始绕线位置开始，位于转子前q/2转子齿的第一感应绕组的绕线方向相同，位于转子后q/2个转子齿的第一感应绕组的绕线方向相同且与位于转子前q/2转子齿的第一感应绕组的绕线方向相反；

所述第二感应绕组的线圈所跨齿数与第二激励绕组ⅰ和第二激励绕组ⅱ的线圈所跨齿数相同，从第二感应绕组的起始绕线位置开始，位于转子前q/2转子齿的第二感应绕组的绕线方向相同，位于转子后q/2个转子齿的第二感应绕组的绕线方向相同且与位于转子前q/2转子齿的第二感应绕组的绕线方向相反；其中，q为转子的总齿数；

所述第一感应绕组和第二感应绕组的绕线起始位置位于同一转子齿。

本实施例中，所述处理单元包括输入电路和处理电路；

所述输入电路包括第一放大电路、第二放大电路、第一鉴相器、第二鉴相器、第一计数器、第二计数器以及时钟电路；

所述第一放大电路的输入端与第一感应绕组连接，第一放大电路的输出端与第一鉴相器的输入端连接，所述第一鉴相器的输出端与第一计数器连接，所述第一计数器与处理电路连接；

所述第二放大电路的输入端与第二感应绕组连接，第二放大电路的输出端与第二鉴相器的输入端连接，所述第二鉴相器的输出端与第二计数器连接，所述第二计数器与处理电路连接；

所述时钟电路的输出端分别于第一鉴相器和第二鉴相器连接，其中，上述的电路采用现有电路即可实现。

本实施例中，所述处理电路根据如下方法计算被测目标的绝对角度位移值：

其中，b为处理电路输出的被测目标的绝对角度位移值，p为极对数，n为常数，w1为第一激励绕组的绕组节距，w2为第二绕组的绕组节距，f为输入的激励信号的频率，∑pt1为第一鉴相器输出信号的时钟脉冲累计数，∑pt2第二鉴相器输出信号的时钟脉冲累计数；具体地：

第一感应绕组输出的感应信号为

第二感应绕组输出的感应信号为

其中，um为输入交流信号的电压幅值，k为常数，w1和w2分别第一激励绕组和第二激励绕组的节距，t为输入激励信号的电压周期，x为位移量，根据位移量与速度的关系x＝vt，而v具有如下关系：v＝w/t,则可得第一感应绕组输出角位移值b1和第二感应绕组输出的角位移值b2：

其中，第一感应绕组输出的值并不作为ui中的绝对位置角度，而是用来判断第二绕组的当前所处的极对数m:

而最终输出的角度位移值为：

由此可见，通过第一感应绕组和第二感应绕组的共同作用，由第一感应绕组来修正第二感应绕组的输出值，从而提高最终结果的精确度。

在本实施例中，定子的外边缘的轴向宽度大于定子齿的轴向宽度从而形成环状结构的定子凸起9，转子的内侧边缘的轴向宽度大于转子齿的轴向宽度从而形成环状结构的转子凸起10，图4所示，通过这种结构，定子凸起和转子凸起之间形成凹槽，通过该凹槽的作用，利于对绕组线圈进行灌封，从而对线圈形成良好的保护的作用。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。