具有贯穿轴的非接触式多圈绝对位置磁传感器 |
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| 申请号 | CN200880108213.9 | 申请日 | 2008-07-23 | 公开(公告)号 | CN101802557B | 公开(公告)日 | 2014-01-29 |
| 申请人 | 移动磁体技术公司; | 发明人 | 扬妮克·罗纳; 杰拉尔德·马松; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及绝对 位置 磁 传感器 ，用于测量穿过所述传感器的轴在行程θ上的 角 位置，并且包括至少两个检测所述轴的位置的检测系统，其特征在于：所述检测系统中的至少一个检测系统根据以θ/n为周期的“周期”函数来生成给出所述轴的周期性角位置的 信号 ；所述检测系统中的至少一个检测系统生成相对于所述轴的行程θ的绝对信号；θ和n满足关系式：＊θ/n＝360，＊n＞1。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种绝对位置磁传感器，用于测量穿过所述传感器的轴在行程θ上的角位置，并且包括： |
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| 说明书全文 | 具有贯穿轴的非接触式多圈绝对位置磁传感器[0002] 对比如车辆稳定性的电子控制(ESP：Electronic Stability Program，电子稳定程序)和电辅助转向(EPS：Electric Power Steering，电动助力转向)等功能来说，转向柱和方向盘的角位置是必需的信息。还可将转向角进而轮子的信息用于比如转向灯、轨迹检测、自动停车等附加功能。 [0003] 单圈传感器本身不能检测大多数机动车的方向盘柱(其方向盘必须能够转至少两圈)的位置。已有的方案可将360°传感器与“最大圈”(toptour)相关联以了解方向盘处于第几圈(例如WO07014599)。但这些系统对在加电压时的初始位置做了假设。随后的所有位置均与该起始位置有关。因此问题在于该初始位置在每次重新合上机动车开关时都要重新定义。这就是说如果该系统没有存储方向盘角的最后位置的存储器，或者如果在所述触点被断开时该角度有变化，则在合上触点时所指示的角度将是错误的。 [0005] 为此，存在用于测量角度的各种绝对多圈方案，这些方案使用了多种技术：电位测量、光学、感应或者磁性技术等。 [0007] 从在转向柱上展开和调整的角度看，感应方案非常昂贵(US6384598)。 [0008] 电位测量方案具有主要在成本和简单性上的显著优势。 [0009] 在现有技术中已知例如专利US5200747，该专利介绍了一种由两个360°电位测量传感器构成的绝对多圈传感器。第一电位计用于测量旋转构件的从0°到360°的旋转角，第二电位计用于确定旋转构件完整旋转的圈数。第二电位计的转子被“单齿轮+小齿轮”系统带动，其中单齿轮连接到第一电位计。每当第一电位计转了完整一圈时，单齿轮唯一的齿与小齿轮(称作“日内瓦”轮)啮合，小齿轮使第二电位计的转子旋转预定的角度。第二电位计的位移因此是增量的，并且在第一电位计的每圈中第二电位计的位置也有增量。通过确定两个电位计的输出，可以确定旋转构件的绝对角度。 [0010] 可注意到该方案的两个主要缺点。第一个是所提出的方案的实现在电位计的轨道和触点之间有摩擦，这缩短了传感器的使用期限。另外，所述轨道在与粉末、油或其它流体接触时可能受损。第二个主要缺点是第二电位计的增量特性。在第一电位计有故障的情况下，第二电位计不能检测旋转构件在一圈中的位置(即使粗略地检测也不行)，也不能检测第一电位计的失效。 [0011] 在现有技术中还已知根据两个旋转传感器的连续相位差来计算旋转构件的绝对位置的非接触式磁性方案，例如在专利申请US2005000288286、JP2006119082、US6941241、US5930905、US6466889中描述的那样。这些传感器的原理是一样的：它们由连接到方向盘柱的齿轮构成，所述方向盘柱带动每个都与磁体相连的齿数稍微不同的两个小齿轮。由磁敏探测器来检测每个磁体的旋转，然后用算法来对相位差信号进行处理。所测量的绝对角度的精度因此取决于源自两个不同的传感器的两个信号的差还有计算的算法。为得到单一测量值而对两个信号做减法是很大的缺点。与仅采用两个传感器之一的精度相比，这降低一半的精度。两个传感器之一的最小误差、最小机械相位差、小齿轮之一的最小游隙导致了角度测量的误差。另外，需要非常完善的算法以便计算旋转构件的绝对角度。 [0012] 与旋转构件的周期(360°)相比，每个信号的周期都极短。这意味着仅取自两个传感器之一的信号无论如何也无法得出旋转构件的位置的即使粗略的信息。在不能通过使用另一传感器的信号诊断出传感器的故障的情况下，这是个问题。 [0013] 在现有技术中已知描述了一种力矩和绝对多圈位置传感器的申请WO2005/076860，其中对旋转构件的位置的测量根据专利US5200747的原理，即位置的测量通过下述两个传感器的偏差来实现：直接连接到旋转构件的360°传感器和由日内瓦轮带动的第二增量传感器。与专利US5200747的不同在于所采用的传感器不是电位测量的而是非接触磁性的。两个传感器中的每个都具有环状磁体和两个间隔90°的磁敏部件(所述磁敏部件测量由所述磁体产生的场的径向分量)，并且生成在解码后用于检测在360度上的位置的两个正交正弦信号。 [0014] 该专利解决了专利US5200747的触点的问题，但前述与增量原理有关的缺点仍没有得到解决。另外，该方案的另一缺点是具有两个探测器，这可能引起由于一个探测器相对于另一个探测器的错误放置而导致的测量误差。此外，空间上岔开90°的两个集成电路的存在增加了传感器的最终成本，这是因为印刷电路的表面可能很大并且增加了连接的数量。 [0015] 与使用增量有关的同样缺点存在于专利EP0699151中，其中粗略信号仅用3位编码，这限制了圈传感器的精度，而且圈传感器是由不少于3个的霍尔(Hall)探测器实现的。 [0016] 在现有技术中还已知专利申请WO07057563，该专利申请描述了一种360°旋转位置传感器，并采用磁敏探测器以便确定基本在直径方向磁化的环状或盘状磁体的角位置。在该专利中，对由磁体生成的磁场的方向敏感的探测器被放置在磁体的外部，因此允许获得例如用于测量转向柱的旋转角度的贯穿轴旋转传感器。另外，在该申请中描述了使用与运动减速有关的传感器，以便在传感器处使多圈旋转简化为少于或等于一圈的旋转(参见图2)。该方案的主要缺点在于采用减速比n，这降低了分辨率和相应地降低了精度，从而可能不足以用于比如精度和分辨率很高的转向柱等应用。 [0017] 本发明提出了通过使用两个非接触式360°传感器以实现绝对多圈传感器，来解决以上提到的问题。第一非接触式传感器用于测量旋转构件的从0°到360°的旋转角，并且第二传感器用于确定旋转构件完整旋转的圈数。在所述两个传感器之间集成了减速比为n的连续减速机械系统。减速器的输入轴连接到第一传感器，而第二传感器的转子连接到减速器的输出轴。每当第一传感器转了完整一圈，第二传感器仅转1/n圈。第二传感器允许获得对总绝对角的具有有限精度和分辨率的测量，但第一传感器通过允许改善第二传感器的测量并因而获得在360°上的非常精细的精度和分辨率来解决该问题。另外，在第一传感器有故障的情况下，第二传感器仍然允许检测(分辨率降低到n分之一)旋转构件在旋转中的位置并检测第一传感器的失效。 [0018] 以下描述的方案因此允许提高测量的可靠性，同时优选地使其适合各种几何配置(2圈传感器、3圈传感器等，无论圈数是多少都具有同样的精度和分辨率)，尤其在具有贯穿轴的设备的情况下。 [0019] 本发明可按照优选的配置使用在申请WO2007/057563中所描述的类型的两个传感器。 [0020] 第一传感器(称作主传感器)测量方向盘在360°的行程上的角度，并发送与该行程上的该角度成比例的信号。对于较大的角，所发送的信号与针对“该角度模360°”所发送的信号一样。该信号仅允许识别方向盘相对于初始位置的相对位置，但不识别其绝对位置。事实上，第一传感器发送周期为360°的周期性信号。对角度的测量在该周期内是精确的，但不能知道轴处于哪个周期内。 [0021] 第二传感器的功能是：一方面指示在每一时刻第一传感器处在哪个周期中，另一方面提供一定的冗余，这是因为信号的确是不够精确，但足够通过与第一传感器的信号相关联来与值区间进行比较。 [0022] 存在生成第二传感器的信号的多种可能性。 [0023] 专利申请WO2005/076860描述了一种产生增量的第二信号的方式(日内瓦轮)，该方法使得信号可正确地指示第一传感器处于哪一圈，但信号是离散类型(使用递增的值)的事实不允许将该信号用于冗余。 [0025] 第一传感器的信号与输入轴在360°的范围内的角度成比例，并且是以360°为周期的周期信号。该信号提供对一圈中的位置的精确指示。 [0026] 第二传感器的信号与输入轴在整个行程上的角度大致成比例，同时没有第一传感器的信号精确。第二传感器的信号提供对整个行程上的位置的粗略指示。 [0027] 优选地，两个信号的电气组合允许合成与输入轴在整个行程上的位置成比例的信号，该信号与信号2的类型相同，但具有信号1的精度。因此在精度和分辨率方面增益较大。 [0028] 本领域技术人员知道实现从一轴到另一轴的减速的多种装置。对于约为三至五的减速比而言，从体积角度出发最优选的做法如下： [0029] -蜗轮蜗杆减速， [0030] -齿轮组减速， [0031] -齿轮机构直接减速：该方案是可以的，尽管从体积角度出发不是优选的，[0032] -磁耦合减速。 [0034] 通过查对图解出这类带有冗余的、高精度的多圈绝对角度传感器的优选(但不限于此)的实施例的图1至图20，将更好的理解本发明。 [0035] 本发明还涉及用于大于或等于360°并可达到多圈的角度的磁旋转式力矩和位置传感器的领域，更特别地，用于测量机动车转向柱的扭矩和机动车转向柱的角度位置的力矩和位置传感器的领域，但不限于该应用。 [0036] 由司机对转向柱施加的力矩是用于确定电子转向增力器位置的必要信息。这使得司机能够更容易地转动方向盘。将力矩和转向柱位置的信息收集在一起以优化机动车的稳定性和增力器。本发明提出的方案合理地结合了大于或等于360°的位置传感器和磁力矩传感器(例如专利FR2872896中描述的磁力矩传感器)。因此，本方案提供方便的安装和非常紧凑的集成，其灵敏度是优化的并且零件的尺寸和重量是最小化的。在现有技术中可找到力矩和位置的方案，但这些方案只是简单地将传统力矩传感器和位置传感器并排放在一起。例如专利US20060236784描述了一种力矩传感器和多圈位置传感器的方案，但该方案仅涉及将磁力矩传感器与磁多圈位置传感器首尾相接。这导致较大的体积，导致必须使用多个印刷电路板(PCB)或柔性印刷电路板(因为霍尔部件位于不同平面中)，并导致力矩传感器和位置传感器之间的磁相互作用。 [0038] -属于力矩传感器的第一转子磁性结构，包括被径向磁化的固定在磁轭上的多个磁体， [0039] -属于力矩传感器的第二定子磁性结构，包括具有多个齿的两个同心齿冠，[0040] -属于力矩传感器的第三固定收集结构，由两个同心环部分构成，这两个同心环部分延伸出合拢以形成放置磁敏部件的测量磁隙的分支， [0041] -第四结构，由直径方向磁化的磁体(或Halbach型磁体)构成，该磁体被置于定子部分的齿冠之间并从而能够在支撑力矩传感器的第二磁性结构的塑料部件上包覆模塑而成。将MLX90316或其它类型的磁敏部件置于位置传感器的磁体的外部，并与力矩传感器的磁敏部件一样构成印刷电路板的一部分。 [0042] 这种结构因而允许获得轴向体积与单一力矩传感器的体积相同的力矩和位置传感器。在这种配置中，力矩传感器的磁体和位置传感器的磁体是同心的，并且所有的霍尔部件都位于与这些传感器的旋转轴垂直的磁体中面中。这样做的优点是能够将所有的霍尔部件插在单一印刷电路板上并消除一传感器与另一传感器的磁相互作用。 [0043] 另外，通过如下所述地将构成这样的集成传感器的部件放在一起，减小了该传感器的成本：可同时包覆模塑(双料模塑)位置传感器的磁体和力矩传感器的同心齿冠，从而仅形成为单一部件，并且对力矩和位置传感器的构成该单一印刷电路板的一部分的霍尔探测器也同样制作。 [0044] 在这种结构中可添加如本公开第一部分所描述的减速器和绝对位置传感器。 [0045] 优选地，将两个检测系统相互接近地放置，以能够集成在单个盒内。这样实现的设备是紧凑的并因此能够方便地放置在待测量的设备上。 [0046] 通过参照图解出这类带有冗余的、高精度的多圈绝对角位置和力矩传感器的优选(但不限于此)的实施例的图21至图25，将更好地理解本发明： [0047] -源于现有技术的图1示出了单圈方案， [0048] -源于现有技术的图2示出了具有减速器和单圈传感器的多圈方案，[0049] -源于现有技术的图3示出了不连续多圈方案的输出信号， [0050] -源于现有技术的图4示出了具有不连续减速系统的多圈磁性方案，[0051] -源于现有技术的图5示出了具有不连续减速系统的多圈电位测量方案，[0052] -源于现有技术的图6示出了离散多圈方案的输出信号， [0053] -源于现有技术的图7示出了具有通过两个轮齿稍微不同的齿轮形成的信号相位差的多圈方案， [0054] -源于现有技术的图8示出了相位差递增的两个输出信号， [0055] -源于现有技术的图9示出了轴端部处的多圈方案， [0056] -图10是示出了两个传感器的输出信号的图， [0057] -图11示出了具有蜗轮蜗杆的本发明的正视图， [0058] -图12示出了具有蜗轮蜗杆的完整的传感器的俯视透视分解图，[0059] -图13示出了图11的部件的仰视图， [0060] -图14是具有蜗轮蜗杆的本发明的去掉盖子的透视分解图， [0061] -图15是具有蜗轮蜗杆的本发明的去掉盖子的正面整体图， [0062] -图16是本发明的具有通过齿轮组形成的减速器的无盖透明视图，[0063] -图17是去掉了盒的、具有通过齿轮组形成的减速器的传感器的透视分解图，[0064] -图18是本发明的具有通过齿轮组形成的减速器的透视图， [0065] -图19是本发明的去掉了盒的、具有通过齿轮组形成的减速器的侧视图，[0066] -图20是本发明的具有由主磁体和位置耦合磁体构成的磁性减速器的视图，[0067] -图21是使力矩传感器和360°位置主传感器相关联的主视图， [0068] -图22是使力矩传感器和360°位置主传感器相关联的剖视图， [0069] -图23是集成在同一印刷电路板上的力矩和位置传感器的专用集成电路(ASIC)的视图， [0070] -图24是通过蜗杆的运动转换使力矩传感器、360°位置主传感器和辅助传感器相关联的透视图， [0071] -图25是通过蜗杆的运动转换使力矩传感器、360°位置主传感器和辅助传感器相关联的正视图， [0072] -图26是通过蜗杆的运动转换使力矩传感器、360°位置主传感器和辅助传感器相关联的侧视图。 [0073] 附图详细描述 [0074] 图1至图9是示出了在本专利的第一部分中描述的现有技术的图示。 [0075] 图10示出了本发明的输出信号。第一信号是360°上(1圈)的具有非常精细分辨率的周期性信号，第二信号是4圈上的绝对信号，该绝对信号的分辨率是周期性信号的四分之一。 [0076] 图11至图15示出了对蜗轮蜗杆减速器的使用。 [0077] 直径较大的蜗杆(1)是空心的以便围绕待测量的轴(例如机动车的转向柱)安装。所述蜗杆被固定在待测量的轴上。直径方向磁化的第一磁体(3)被连接到该蜗杆并构成具有在一圈之内的精确信号的第一传感器的一部分。该磁体可安装或不安装在磁轭(8)上。所述蜗杆与传感器的盒(9)旋转连接。在本申请中所述盒是固定的。该蜗杆带动与第二磁体(7)连接的小齿轮(4)旋转，所述第二磁体构成具有没那么精确但涵盖整个行程的信号(图10，第二信号)的第二磁性传感器的一部分。所述小齿轮与盒(9)旋转连接。机动车方向盘的角行程在大部分情况下在2圈和5圈(这些值并非穷举)之间。减速比被选择为使得圈指示磁体(7)在整个行程上转不到1圈。事实上正是该角行程使得能够最大限度地利用第二传感器在分辨率方面的潜力。在图示的例子中，蜗杆(1)有3条螺纹而小齿轮(4)有13个齿。因此减速比为4.33，这使得完全适合在方向盘上达到4圈行程。运动的转换容许有稍许游隙，但所述游隙必须限制到必要的最低程度，以使得不会由于增加了与减速中的游隙相关联的寄生滞后而过度地降低第二传感器的精度。 [0078] 检测器2测量在直径方向磁化的磁体3的径向和切向分量。 [0079] 检测器(6)检测在直径方向磁化的磁体(7)的轴向和切向分量。 [0080] 这种类型的结构选择允许获得具有较少数量部件的紧凑的传感器，且这些部件可以容易地通过注塑而大量实现，以降低成本。这种结构还允许将两个检测器(2和6)置于同一印刷电路板(5)上，从制造成本的角度看这是不可忽略的优点。 [0081] 图16至图19示出了齿轮组减速器的使用。 [0082] 空心的第一齿轮(1)与应被测量角位置的轴连接。所述轴贯穿齿轮(1)。 [0083] 在直径方向磁化的第一磁体(3)与该齿轮连接，并构成具有在1圈之内的精细信号(图10，第一信号)的第一传感器的一部分。第二活动部件(12)由小齿轮和啮合在第一齿轮(1)上的齿轮构成。与第二活动部件类似的第三活动部件(13)啮合在第二活动部件上，并带动第四活动部件(14)旋转。所有这些活动部件均在盒(9)中旋转连接。这些活动部件的被称作齿轮组的组件实现了齿轮1的角速度的减速。 [0085] 该第二传感器可以具有贯穿轴或非贯穿轴，第四活动部件(14)和盒(9)之间的旋转连接可偏移。由检测器测量的磁场的分量因此在非贯穿轴的情况下是磁体的旋转轴的点上的两个相互正交的径向分量，或者在贯穿轴的情况下是磁体外部的点上的径向和切向分量。 [0086] 与前述例子中一样，减速比被选择为使得第四活动部件(14)且因此磁体(7)在输入轴的整个行程上转不到1圈。 [0087] 活动部件的数量可被改变以适应体积约束或所需的行程。 [0088] 由于待传输的力矩极小，所以齿轮机构的齿可以用较小压力角(例如12°)来形成，以便最大程度地限制损害第二传感器的精度的游隙。事实上，虽然对于圈的解码功能来说所需的精度不是非常高，但对于冗余功能来说所需的精度要高得多。 [0089] 所有活动部件以及载有这些活动部件的盒(9)都可通过注塑来经济地实现。检测器(2和6)被焊接在单一印刷电路板(5)上，这使得该方法是经济的。 [0090] 在图示的例子中，所选择的轮齿如下： [0091] -输入齿轮1：60齿， [0092] -齿轮12：12和34齿， [0093] -齿轮13：12和39齿， [0094] -输出齿轮14：35齿。 [0095] 这产生的减速比为5.37。这里图示的例子因此适于5圈的方向盘行程。 [0096] 图20示出了直接磁耦合的使用。 [0097] 在图示的例子中，在直径方向磁化的环状磁体(3)与要测量其旋转的轴连接。置于同一平面中并与盒旋转连接的多极环状磁体(20)与所述磁体(3)相互作用。事实上，多极环状磁体(20)的南北极交替面对主磁体(3)的南北极，从而在这两个磁体间实现了角速度的减速。本领域的技术人员十分了解这些非接触式磁性减速系统，所述磁性减速系统允许透过无磁性的薄壁或者在轮之间没有直接机械接触地进行减速。 [0098] 在图示的例子中，初级轴的磁体(3)具有一对磁极，次级轴的磁体(20)具有6对磁极，这提供了这两个轴间为6的减速比，并使得该系统适于测量大约6圈的方向盘行程。 [0099] 置于次级轮中心的双极磁体(7)允许与前述例子类似地获取次级轮的角位置。主磁体(3)与转向柱刚性连接，这允许精确地测量位置。 [0100] 图21和图22是力矩传感器和360°绝对位置传感器的非常紧凑的组件的前视图和剖视图。该组件组合有： [0101] -由具有两个定子的多极磁体(10)、两个收集器(8)、安装在印刷电路板(5)上的两个磁敏部件(7)构成的力矩传感器， [0102] -由在直径方向磁化的磁体(3)和置于印刷电路板(5)上的检测器(6)构成的位置传感器，所述磁体(3)适当地位于两个定子之间以优化组件的体积，所述检测器(6)测量所述磁体(3)的轴向和切向分量。因此磁体(3)可以与所述定子同时包覆模塑而成，且借助于磁敏部件对力矩和位置的测量是在同一平面内进行的。 [0103] 图23是力矩传感器的两个霍尔专用集成电路(7)、360°位置传感器的霍尔专用集成电路、上面集成有这些专用集成电路的单一印刷电路板以及力矩传感器的收集构件的视图。 [0104] 图24和图25和图26分别是力矩传感器和多圈绝对位置传感器的组件的透视图、剖面图和正视图。该组件组合有： [0105] -由具有两个定子的多极磁体(10)、两个收集器(8)、安装在印刷电路板(5)上的两个磁敏部件(7)构成的力矩传感器， [0106] -根据以θ/n为周期的“周期性”函数来生成给出周期性角位置的信号的检测系统，所述检测系统由在直径方向磁化的磁体(3)和置于印刷电路板(5)上的检测器(6)构成，所述磁体(3)适当地位于两个定子之间以优化所述组件的体积，所述检测器(6)测量磁体(3)的轴向和切向分量。 [0107] -生成相对于行程θ的绝对信号的检测系统，所述检测系统由在直径方向磁化的磁体(19)、蜗轮(18)蜗杆(11)减速器(参见对图11至图15的描述)和检测器(16)构成，检测器(16)测量磁体(19)的轴向和切向分量。 [0108] 正如特别是在图11至图19上可看到的一样，优选地将两个检测系统(或者检测器(2)和(6))相互接近地放置，以便实现可安装在单一盒内的紧凑的传感器。 |
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