運動部位置的角測量電感傳感器和用此傳感器的測量方法
【專利摘要】本發明涉及運動部位置的角測量電感傳感器和用此傳感器的測量方法。本發明的目的是改進角度電感式傳感器的線性度。根據本發明的電感式傳感器包括主繞組、兩個輔繞組和可運動的目標，主繞組以中央軸為中心并且攜帶可以在輔繞組中感應電壓的高頻交變電流，輔繞組也以中央軸為中心并且由數量為k（k=2）的基本相同的回路構成，回路是連續交叉的并且布置為與主繞組相對。在該情況中，目標由具有p=1個具有角度開口（α1）的角度扇形的部件構成。目標的角度扇形的開口（α1）比輔繞組的回路的角度扇形的開口小一偏差，計算該偏差以便消除在目標在測量方位上的位置的所測角度值與實際角度值之間的線性度偏差傅立葉分解的第四諧波。
【專利說明】運動部位置的角測量電感傳感器和用此傳感器的測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及致力于旋轉部件的位置的角度測量的電感式傳感器以及涉及使用該電感式傳感器的測量方法。
[0002]本發明的領域涉及使用布置在運動的結構上的目標來檢測運動的結構和機械部件的位置，這些結構和機械部件特別是旋轉機器的轉子。
[0003]本發明主要但非排他地應用于航空學或汽車工業中的機器工具或其他工業機器，并且一般每當有必要監視機械元件的角度位置時應用。
【背景技術】
[0004]角度電感式傳感器具有與線性電感式傳感器的結構類似的結構:它們包括具有固定主電路和至少一個固定輔電路的“變換器(transformer)”固定部件，和由剛性連接到要在角度上被監視的機械部件的金屬目標構成的可運動部件。固定主電路一般由線圈或者由在平坦表面上印刷的電路形成。
[0005]高頻交變電流在主電路中流動。該電流以與在主電路中流動的電流相同的頻率產生磁場。每個輔電路也是固定的并且放置在相同表面上，但是形成至少兩個回路(loop)。出于以下指示的原因，連續的回路具有基本相同的表面。它們是交叉的并因此(從三角學的角度來看)具有相反的朝向。
[0006]作為在主電路與每個輔電路的具有相同表面的回路之間的耦合的結果，主通量產生視為從每個輔電路的一個回路到另一個回路反向的磁通量。
[0007]一般而言，目標的表面至少與輔電路的回路的表面一樣大，并且可運動目標的運動然后修改主電路與每個輔電路的每個回路之間的耦合。對在輔電路的端子處感應的電壓的測量因此允許知道機械部件的位置。因此，在輔電路的回路前面的目標的連續位置在每個輔電路的回路中產生一定量的磁通量并因此產生電壓。該電壓的發展根據目標的位置而變化并包括相對增加和減少。最后，該變化產生與正弦曲線非常接近的曲線。
[0008]換言之，在每個輔電路的回路中感應電壓。該電壓的符號取決于回路的方向。這些電壓的代數和根據在這些回路前面的目標的運動而變化:在兩個回路的中央，目標產生零和電壓。因為回路的表面是相同的，所以當目標的大小與每個輔電路回路的大小基本相同時，該電壓在傳感器的目標正面對每個回路時具有最大絕對值。
[0009]對于角度傳感器，目標在角度上覆蓋輔電路的每個回路。例如，對于具有等于360°的方位(course)(兩個180°的回路)的輔電路，目標的角度開口是180°。對于具有等于180°的方位(四個90°的回路)的輔電路，目標由兩個具有90°開口的角度扇形構成，這些角度扇形的頂點是相對的。一般地，目標的開口角度等于輔電路的方位的一半。
[0010]電感式傳感器，特別是其中針對目標測量的位置是角度的角度電感式傳感器，在目標角度位置的測量中，并因此在要監視的機械部件的測量中具有誤差。已經提出了若干方案來解決該問題。
[0011]專利文檔WO 2005/098370例如描述了跟隨在之前的校準操作之后的參考輔回路的使用，該參考用于目標位置的更準確的測量。此外，專利文檔FR 2964735目標在于通過放置在輔電路上的補償回路的使用來減小測量誤差，補償回路的使用允許移除在輔電路的端子處接收的交變信號的一些寄生分量。
[0012]然而，盡管有這些改進，但是已知方案并未提供具有足夠線性度以便獲得可靠的結果的角度傳感器。此外，傳感器的靈敏度由虛構直線定義的該線性度來表征，該虛構直線將是最好接近目標在整個測量范圍上的位置的所測角度值與實際角度值之間的實際關系的虛構直線。然后，通過傳感器的實際角度測量與該虛構直線之間的接近度來測量靈敏度。
【發明內容】
[0013]本發明的目的是通過使用傅立葉變換分析相對于目標位置的實際角度值給出目標的位置的所測角度值的函數來改進角度電感式傳感器的線性度。該分析已經導致在特定比例內減小了目標的角度開口。
[0014]更精確地，本發明涉及用于測量旋轉部件的角度位置的電感式傳感器，其包括:主繞組(winding)，其與至少一個輔繞組相關聯；以及目標，其與繞中央軸旋轉的部件剛性連接，主繞組以與目標的中央旋轉軸一致的軸為中心，并且攜帶可以在每個輔繞組中感應電壓的高頻交變電流。也以該中央軸為中心的每個輔繞組由數量為k (k ^ 2)的基本相同的形成具有開口 SB的角度扇形的回路構成，所述回路是連續交叉的并且布置為與主繞組相對。目標由P (P ^ I)個角度扇形構成，所述P個角度扇形具有值α0等于回路扇形的開口 SB的相同角度開口 α，并且所述P個角度扇形規則分布為與主和輔繞組相對。在該電感式傳感器中，每個目標角度扇形的開口 α被減去等于分數
c/(h*r) 的調整角度扇形SA，使得a =SB-SAX為傳感器在整體相同的兩個目標連續位置之間
的角度掃描方位，h為在目標在方位C上的位置的所測與實際角度值之間定義的線性度偏差傅立葉分解中要消除的諧波的階數，并且r為每輔繞組的回路的數量k相對于目標的扇
形數量P，即r=k/p[0015]根據一些優選實施例:
?要消除的諧波具有第4階，并且調整角度扇形SA然后等于每個繞組回路的角度開口的四分之一；
?傳感器包括由基本相同的回路構成的兩個輔繞組；
?這些輔繞組偏移半個回路。
[0016]本發明還涉及用于測量可旋轉部件的角度位置的方法，其中使用上述電感式傳感器；該方法包括用目標的具有開口 α的每個角度扇形連續掩蔽每個(所述)輔繞組的具有角度開口 SB的角度扇形，將開口 α調整為角度開口 SB的3/4，使得在每個(所述)輔繞組中感應的電壓具有正弦變化，測量在每個(所述)輔繞組的端子處的電壓，使用相同的正弦函數來組合所測電壓的幅度，以及在每個時刻根據該時刻的正弦函數的幅度來提供針對目標的位置測量。
[0017]優選地，所使用的函數是在相位正交的兩個輔繞組的端子處測量的正弦電壓的幅度之比的反正切。【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]在參照附圖閱讀了下面的非限制性描述時，本發明的其他信息、特征和優點將顯現出來，其中:
-圖1a和Ib是根據現有技術的在所測目標位置角度值與實際位置角度值之間的偏差的兩幅圖；
-圖2是根據本發明的具有360°方位的電感式傳感器示例的圖；以及 -圖3是根據本發明的具有180°方位的電感式傳感器示例的圖。
【具體實施方式】
[0019]圖1a涉及如常規電感式傳感器所測量的作為實際位置角度OR的函數的目標的位置角度ΘΜ的線性度偏差ε。該電感式傳感器是具有等于360°的方位的傳感器，包括圓形主繞組、以直角放置以便提供兩個互補的正弦感應電壓的兩個輔繞組以及180°角度開口的半月形目標，每個輔繞組由兩個180°角度開口的初級回路形成。
[0020]為此，圖1a示出了兩條曲線:作為目標的位置實際角度?R的函數的位置測量角度?M的變化的曲線3，和表示當所測角度OM與目標的位置實際角度O R —致時獲得的理論曲線的直線I。當以規則間隔，即每45°，切割該直線I時，觀察到的曲線3具有關于該理論直線I的振蕩2。 [0021]線性度偏差ε對應于針對給定O R值的差O M-O R，并且每45°改變符號。兩條曲線I與3之間的這些偏差ε傳達傳感器的線性度的缺乏。通過相對于位置實際角度?R繪制偏差ε的變化，圖1b更精確地示出偏差ε的正和負振蕩的曲線4，正和負振蕩連續(follow one another),每45°通過零值。曲線4因此具有正弦形狀并且偏差在最大值+M與最小值-M之間變化。
[0022]為了使線性度偏差ε振蕩的幅度對于所有值OM接近于零，因此對于具有例如等于180°的開口并且具有等于360°的方位的目標應當存在對45°之上的振蕩的補償。該考慮也對應于使用感應電壓的類比地也標為ε (因為二擇一的取消)的線性度偏差的傅立葉分解來進行分析的手段。該傅立葉分析提供要消除的諧波的階數以便將線性度偏差減小為零:
?2階對應于繞組的回路之間的對稱性的缺乏，這是容易糾正的；
?3階只可能在輔繞組具有奇數回路的情況下才存在；然而，對于所研究的傳感器和對于任何電感式傳感器，總是提供偶數回路以便合計每個回路的初級感應電流以便提供整個感應電壓；
?因此在該情況中，4階為優先考慮要消除的階數。
[0023]一般地，旋轉傳感器測量在稱為測量方位C的角度延伸范圍中的角度。角度方位C對應于整體上相同的兩個連續位置之間的目標的角度掃描。目標包括一個或多個規則分布的具有角度開口 α O的扇形，根據現有技術，角度開口 α O通常等于輔繞組回路的扇形的開口 SB。
[0024]該回路扇形開口 SB等于|，并且目標開口 α O于是使得α0 = SB = 如從下面的示例所顯現的。[0025]方位C可以是360°，即完整的一圈，并且輔繞組于是由兩個回路構成，每個回路形成具有等于180°的開口 SB的扇形，即SB=C/2 有利地，目標于是具有“半月”的單個角度扇形形狀，其具有也等于180°的角度開口 α。
[0026]傳感器還可以具有小于360°的方位C，并且在該情況中，該范圍C僅可以具有360。的等分(sub-multiple)的值，即形狀C =360/P，的180°、120。、90。等，其中P是大于
I的自然數。在該情況中，目標具有角度周期C=360/p的周期幾何形狀，其由P個規則分布
的角度扇形構成，對于每個扇形，具有等于360/2*p即180/p)的值￡的角度開口 α0。 [0027]因此，在所有情況中，目標的方位C等于C =360/p P是大于或等于I的整數(當目
標具有角度開口為180°的單個扇形時等于1，并且當目標具有開口角度為180/ρ的P個扇形時大于I)。
[0028]為了移除所測位置角度的線性度偏差，根據本發明，通過值SA角度扇形的減少來調整目標的角度開口，其對應于4階諧波的消除。于是，目標的角度開口取值α使得a = SJ5 — 5』。
[0029]該線性度偏差的傅立葉分解的計算例如示出:對于具有每輔繞組兩個初級回路和由具有根據現有技術等于180°的開口 α O的“半月”扇形形成的目標的360°方位傳感器，根據本發明去除等于45°的扇形調整開口 SA以便移除4階諧波，即目標的四分之一扇形。于是，目標的開口具有等于135°的值α。
[0030]傳感器還通過等于每輔繞組的回路數量相對于目標的扇形數量的數r，來表
P
征。在本示例中，每個角度扇形的回路數量使得目標每方位通過每個輔繞組的2個回路，并且r的值于是為2。
[0031]在這些條件下，每個目標扇形具有被減去目標角度調整角度扇形SA的角度開口α O, SA開口等于傳感器的方位C相對于每方位掃描的回路的數量“r”和要消除的諧波階
數“h”的分數，即以SA=C/(h*r)在以上示例中，r=2并且h=4，C=360° ,即SA=C/8=45。
[0032]下面的表1概括了每個目標扇形的根據現有技術的“ α O”和根據本發明的“ α ”的角度開口的值、為針對各種目標從開口 αΟ移動到開口 α的調整扇形SA的值，其中r的值等于2 (與以上示例相同)、3和4。
[0033]表1中針對目標的角度開口計算的一些值在實踐中作為數量級來考慮，并且于是在表中已經引入了四舍五入后的值。
[0034]圖2和3示出具有每方位的兩個輔繞組回路以及兩個輔繞組的傳感器，并且方位分別等于360°和180°。圖2具體示出電感式角度傳感器100的示例，其在該情況下在圖的平面的相同平面中，包括:主電路10、偏移90°兩個輔電路12和14，以及具有單個扇形(具有相同標號16)的目標16，其具有半月形狀并且方位等于360°。
【權利要求】
1.一種用于測量旋轉部件的角度位置的電感式傳感器(100，200)，包括: -主繞組(10，20)，其與至少一個輔繞組(12，14，22，24)相關聯；以及 -目標(16，26a，26b)，其與關于中央軸(X’ X)旋轉的部件剛性連接， 主繞組(10，20)以與目標(16 ;26a，26b)的中央軸(X’ X) 一致的軸為中心，并且攜帶可以在每個輔繞組(12，14，22，24)中感應電壓的高頻交變電流，也以中央軸(X’ X)為中心的每個輔繞組(12，14，22，24)由數量為k (k≤2)的基本相同的回路(12a，12b，14a，14b，22a-22d，24a-24d)構成，其形成具有開口 SB的角度扇形，所述回路是連續交叉的并且布置為與主繞組(10，20)相對，并且目標(16;26a，26b)由P (p≤I)個角度扇形構成，所述P個角度扇形具有值α O等于回路扇形的開口 SB的相同角度開口 α，并且所述P個角度扇形規則分布為與主(10，20)和輔(12，14，22，24)繞組相對，所述電感式傳感器特征在于: -每個目標(16 ;26a，26b)角度扇形的開口 α ( α I, α2)被減少等于分數☆的調整角度扇形SA，使得a =SB-SA, 其中: C=傳感器(100，200)在整體相同的兩個目標(16，26a，26b)連續位置之間的角度掃描方位， h=在目標在方位C上的位置的所測與實際角度值之間定義的線性度偏差傅立葉分解中要消除的諧波的階，并且 r=每輔繞組的回路(12a，12b，14a，14b，22a_22d，24a_24d)的數量k相對于目標(100，200)的扇形的數量p，即r = -。
2.根據權利要求1所述的電感式傳感器，其中，要消除的諧波具有第4階，并且調整角度扇形SA于是等于每個繞組回路的角度開口的四分之一。
3.根據權利要求1或2所述的電感式傳感器，其中，傳感器(100，200)包括兩個輔繞組(12，14 或 22，24)。
4.根據前述權利要求所述的電感式傳感器，其中，輔繞組(12，22)偏移半個回路。
5.一種用于使用根據權利要求1-4所述的電感式傳感器(100，200)來測量可旋轉部件的角度位置的方法，其特征在于其包括用目標(16，26a，26b)的具有小于角度開口 SB的開口 α的每個角度扇形連續掩蔽具有角度開口 SB的每個(所述)輔繞組(12，14，22，24)的角度扇形中的每一個，調整該開口減小使得在每個(所述)輔繞組(12，14，22，24)中感應的電壓具有正弦變化，測量在每個(所述)輔繞組(12，14，22，24)的端子處的電壓，使用相同的正弦函數來組合所測電壓的幅度，以及在每一個時刻根據該時刻的正弦函數的幅度來提供針對目標(16，26a，26b)的位置測量。
6.根據前述權利要求所述的用于角度位置測量的方法，其中，所使用的函數是在相位正交的兩個輔繞組(12，14，22，24)的端子處測量的正弦電壓的幅度之比的反正切。
【文檔編號】G01B7/30GK103868450SQ201310691456
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2013年12月17日 優先權日:2012年12月18日
【發明者】A.豐塔內 申請人:法國大陸汽車公司, 大陸汽車有限公司
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