用于检测旋转运动的径向电感式位置传感器、高分辨率位置传感器系统和转矩传感器系统的制作方法

本发明涉及一种用于检测旋转运动的径向电感式位置传感器，特别是用于电机控制系统。本发明还涉及一种包括径向电感式位置传感器的高分辨率位置传感器系统和转矩传感器系统。

背景技术：

1、很多应用需要旋转构件的位置反馈，例如在电机控制系统中。在大多数情况下，附加的位置传感器安装在电机的旋转轴的一个端部处，以生成所需要的位置信息。根据相关技术，已知磁性位置传感器和电感式位置传感器。由于载流部件(如电机电缆或电池电缆)、旋转电机组件、电机定子或附加设备(如电机制动器)可能会产生磁场，因此电机控制系统中优选使用电感式位置传感器，以提供对这样的磁场的稳健性。

2、电感式位置传感器采用无磁技术，利用涡流或感应耦合的物理原理检测在线圈组上方运动的目标的位置，该组线圈包括一个传输器线圈和两个接收器线圈，特别是正弦接收器线圈和余弦接收器线圈。

3、在三个线圈的实际实现中，一个传输器线圈和两个接收器线圈通常作为印刷电路板(pcb)上的铜迹线提供。它们被布置为使得传输器线圈在两个接收器线圈中感应二次电压，二次电压取决于接收器线圈上方导电(例如，金属)目标的位置。因此，电感式传感器包括或是连接到生成射频信号的振荡器，该射频信号被施加到传输器线圈以产生高频磁场。该高频磁场由接收器线圈拾取，尤其是正弦接收器线圈和余弦接收器线圈。根据线圈上方导电目标的位置，接收器线圈拾取的二次电压幅度发生变化，从而可以通过分析这种影响来确定目标的位置。例如，目标位置是通过正弦信号的反正切除以余弦信号来计算的。该计算由连接到位置传感器或是位置传感器的组成部分的处理单元执行。

4、导电目标可以是任何类型的金属，例如铝、钢或带有印刷铜层的印刷电路板。通常，电感式位置传感器包括金属化目标。然而，电感式位置传感器可以使用不同类型的目标，例如由电感和电容器组成的线回路或无源谐振电路。

5、根据相关技术已知的用于检测旋转运动的电感式位置传感器，传输器线圈和接收器线圈布置在垂直于旋转轴的纵向轴线的平面中。导电目标附接到旋转轴并且在径向方向上延伸，使得导电目标在该组线圈上方运动。这种配置称为轴向电感式位置传感器，因为该组线圈布置在轴向平面中。

6、电感式位置传感器的精度取决于该组线圈与导电目标之间的气隙。通过增加气隙，该组线圈与导电目标之间的距离增加，从而导致幅度降低，信号噪声增加，并且影响系统线性度。另一误差来源是与导电目标相连的旋转轴的轴向公差或轴向间隙。由于轴向公差或轴向间隙，该组线圈与运动导电目标之间的距离可能会随着时间和/或位置而不断变化。

7、因此，本发明的目的是提供一种用于检测旋转运动的电感式位置传感器，该传感器对旋转轴的轴向公差、特别是轴向间隙具有稳健性。

技术实现思路

1、根据本发明，这个目的是通过一种用于检测旋转运动的径向电感式位置传感器(特别是用于电机控制系统)来解决的，该径向电感式位置传感器包括至少一个传输器线圈、带有第一接收器线圈和第二接收器线圈的至少一个接收器线圈对，以及连接或可连接到旋转轴的运动导电目标，

2、其中至少一个传输器线圈和至少一个接收器线圈对布置在基板上，

3、其中：

4、基板具有至少部分包围运动导电目标和/或旋转轴的径向配置。

5、在根据本发明的径向配置中，该组线圈(即，至少一个传输器线圈和至少一个接收器线圈对)布置在径向包围运动导电目标和/或旋转轴的平面中。因此，其上布置有线圈的基板具有圆形形状，并且至少部分包围运动导电目标和/或旋转轴。基板可以具有空心圆柱体、c形、u形或类似形状。

6、电感式位置传感器的径向配置的优点是，旋转轴的轴向公差或轴向间隙对位置传感器的精度、特别是对接收器线圈对的信号幅度只有微不足道的影响。因此，根据本发明的径向电感式位置传感器对由旋转轴的轴向公差或轴向间隙引起的误差具有稳健性。

7、径向配置的另一优点是成本降低，因为基板的尺寸可以优化，而相关技术中已知的轴向配置通常需要针对旋转轴将基板切断。另一优点是，由于目标设计优化而减轻了重量，因为与电感式位置传感器的轴向配置、特别是在导电目标布置在圆形基板内部的情况下相比，对于径向配置，导电目标的尺寸可以更小。

8、其他电子组件(如用于处理接收器线圈对的信号或控制连接到至少一个传输器线圈的振荡器的处理单元)可以与该组线圈布置在同一基板上，也可以是单独的部件。

9、根据本发明的变体，基板是印刷电路板(pcb)，并且至少一个传输器线圈和至少一个接收器线圈对由铜迹线形成在pcb上。以这种方式，径向电感式位置传感器可以很容易制造，即便宜又快速。

10、根据本发明的优选变体，基板或pcb是柔性的，或者具有厚度，该厚度允许基板或pcb的径向配置由多个部件组成，该部件可以围绕旋转轴径向布置。例如，柔性基板或pcb可以安装在圆柱形导轨或外壳上，该圆柱导轨或外壳包括用于柔性基板或pcb的对准卡具。圆柱形导轨或外壳可以完全或部分包围运动导电目标和/或旋转轴。如果基板或pcb由多个部件组成，则这些部件可以具有较高的刚度。单独的部件一起至少部分包围运动导电目标和/或旋转轴。

11、在本发明的变体中，第一接收器线圈是正弦接收器线圈，并且第二接收器线圈是余弦接收器线圈。本发明不限于该配置，而是第一接收器线圈和第二接收器线圈应当提供相移信号。

12、根据本发明的变体，接收器线圈对、特别是第一接收器线圈和第二接收器线圈具有用于检测运动导电目标的绝对位置的一个周期。接收器线圈对具有一个周期，因此径向电感式位置传感器可以检测旋转轴的绝对位置，即0°到360°之间的位置。运动导电目标布置在接收器线圈对上方，并且根据旋转轴的旋转位置在接收器线圈中生成信号。将接收器线圈对的圆形延伸与运动导电目标的圆形延伸适配，以使得接收器线圈对在旋转轴的360°旋转时生成独特的信号。优选地，接收器线圈对完全或基本完全包围运动导电目标和/或旋转轴，并且由于接收器线圈对的一个周期，运动导电目标的绝对位置可以被检测到。

13、根据本发明的备选变体，接收器线圈对、特别是第一接收器线圈和第二接收器线圈具有用于检测运动导电目标的高分辨率位置的多个周期。由于接收器线圈对具有多个周期，因此位置检测器具有更高的精度。然而，该配置的径向电感式位置传感器无法检测旋转导电目标的绝对位置，因为围绕导电目标的完整旋转有多个位置，这些位置在接收器线圈对中生成相同的信号。例如，如果接收器线圈对有四个周期，电感式位置传感器可以以更高精度检测0°到90°之间的位置，但不能检测绝对位置。优选地，接收器线圈对完全或基本完全包围运动导电目标和/或旋转轴，并且由于接收器线圈对的多个周期，运动导电目标的位置可以更高精度地被检测。然而，也有可能接收器线圈对仅部分或分段(即，分布式段)包围运动导电目标和/或旋转轴。在后一个实施例中，只要接收器线圈对仅部分或分段包围运动导电目标和/或旋转轴，基板就可以完全或部分包围运动导电对象和/或旋转轴。

14、在本发明的优选实施例中，径向电感式位置传感器包括具有一个周期的第一接收器线圈对和具有多个周期的第二接收器线圈对。因此，第一接收器线圈对可以确定运动导电目标的绝对位置，而第二接收器线圈对能够以更高精度确定运动导电对象的位置。将第一接收器线圈对和第二接收器线圈对的结果相结合可以产生径向电感式位置传感器，该传感器以更高精度针对所有绝对位置确定运动导电目标的位置。

15、根据本发明的变体，运动导电目标具有一个或多个有效部分。多个有效部分优选地围绕运动导电目标的周长均匀分布。如果接收器线圈对完全或基本完全包围运动导电目标和/或旋转轴，则连接到旋转轴的运动导电目标可以只有一个有效部分。根据接收器线圈对的周期数，这一有效部分足以确定绝对位置或高分辨率位置。如果接收器线圈对仅部分或分段包围运动导电目标和/或旋转轴，则连接到旋转轴的运动导电目标可以具有多个有效部分。多个有效部分被布置成使得始终有一个有效部分位于接收器线圈对上方。例如，如果接收器线圈对覆盖旋转轴的90°，则运动导电目标具有四个有效部分在运动导电目标上等距布置，即间隔90°。因此，任何时候都有一个有效部分位于接收器线圈对上方。

16、在优选变体中，运动导电目标具有圆形形状，因为它连接到旋转轴。运动导电目标可以具有一个或多个部分，特别是有效部分，该部分从旋转轴径向延伸，靠近布置在基板上的包围运动导电目标和/或旋转轴布置的接收器线圈对。运动导电目标可以由任何导电材料(例如，铜、铝、钢等)制成或包括由其制成的有效部分。运动导电目标可以为实心或由薄材料制成，可以弯曲或切割成特定形状。运动导电目标也可以由具有一个或多个导电表面部件的基板制成。

17、特别地，接收器线圈对和运动导电目标的有效部分的设计彼此匹配，以便在任何时候都恰好有一个有效部分布置在接收器线圈对上方。

18、根据本发明的运动导电目标的有效部分是与径向电感式位置传感器的接收器线圈对协作的部分。因此，运动导电目标的有效部分分别位于布置在接收器线圈对上方的运动导电目标的旋转轴的某些位置，以适应从至少一个传输器线圈接收的接收器线圈对的信号。

19、根据本发明的变体，基板部分或完全包围运动导电目标和/或旋转轴。如果接收器线圈对完全或基本完全包围运动导电目标和/或旋转轴，则需要完全包围运动导电目标或旋转轴的基板。如果接收器线圈对仅部分包围运动导电目标和/或旋转轴，则基板也可以仅部分包围运动导电目标和/或旋转轴。如果接收器线圈对以一个或多个段包围运动导电目标和/或旋转轴，则基板可以部分或完全包围运动导电对象和/或旋转轴，具体取决于旋转轴周围各段的分布。

20、根据本发明的变体，运动导电目标布置在径向基板内部或外部。如果运动导电目标布置在径向基板内部，则其更小，从而实现径向电感式位置传感器的重量优化。

21、在本发明的优选实施例中，至少一个传输器线圈和/或至少一个接收器线圈对在基板上实现两次，特别是在单独的层上或采用交错或分布式线圈设计。这提供了冗余设计，尤其是如汽车应用中的安全关键系统所需要的冗余设计。

22、本发明还涉及一种高分辨率位置传感器系统，该系统包括第一电感式位置传感器和第二电感式位置传感器，其中至少一个电感式位置传感器是根据本发明的径向电感式位置传感器，其中第一电感式位置传感器和第二电感式位置传感器的接收器线圈对的周期不同。在本发明的特别优选变体中，一个电感式位置传感器的接收器线圈对具有用于检测运动导电目标的绝对位置的一个周期，而另一电感式位置传感器的接收器线圈对具有用于检测运动导电目标的高分辨率位置的多个周期，或者其中第一电感式位置传感器和第二电感式位置传感器的接收器线圈对的周期不同用以提供游标标尺。

23、根据本发明的高分辨率位置传感器使用两个不同电感式位置传感器以高分辨率确定运动导电目标的绝对位置。例如，一个电感式位置传感器使用具有一个周期的接收器线圈对来确定绝对位置，而另一电感式位置传感器以高分辨率使用多个周期来确定运动导电目标的位置，但无法确定绝对位置。具有不同周期的两个电感式位置传感器可以实现相同效果，其被设计为提供例如游标卡尺的已知游标(nonius)标尺。

24、电感式位置传感器中的至少一个是根据本发明的径向电感式位置传感器，特别是提供高分辨率结果的传感器。另一电感式位置传感器(优选地是确定绝对位置的传感器)可以是例如相关技术已知的轴向电感式位置传感器或根据本发明的径向电感式位置传感器。为了提供nonius标尺，优选地使用根据本发明的两个径向电感式位置传感器。

25、本发明还涉及一种转矩传感器系统，该系统包括第一电感式位置传感器和第二电感式位置传感器，其中至少一个电感式位置传感器是根据本发明的径向电感式位置传感器，其中第一电感式位置传感器和第二电感式位置传感器安装在受转矩影响的旋转轴的不同端部上。安装在旋转轴的不同端部处的两个电感式位置传感器的结果可以用于确定旋转轴的转矩。根据本发明的变体，转矩传感器系统可以包括用于提供高分辨率位置和转矩传感器系统的至少一个附加电感式位置传感器。至少一个另外的电感式位置传感器可以与第一电感式位置传感器和/或第二电感式位置传感器相结合提供上述高分辨率位置传感器系统。

26、转矩传感器系统优选包括两个相同的电感式位置传感器，特别是根据本发明的两个径向电感式位置传感器。然而，特别是如果径向电感式位置传感器安装到具有较高公差或较高轴向间隙的旋转轴的端部并且轴向电感式位置传感器安装到具有较低轴向公差或轴向间隙的端部，只能使用一个根据本发明的径向电感式位置传感器和一个根据相关技术的轴向电感式位置传感器。