CN119334237B - 角位移传感器、角度测量方法和电机 - Google Patents

Abstract

本公开是关于一种角位移传感器、角度测量方法和电机。角位移传感器包括：电路板，电路板设有处理电路和激励电路；精测模块包括相对设置的转子和定子，转子位于定子和电路板之间；转子朝向定子的一侧设有采集电极和激励电极，定子朝向转子的一侧设有耦合电极和与耦合电极电连接的敏感电极，激励电极被来自激励电路的电信号激励，并与耦合电极耦合使得敏感电极产生电信号，采集电极与敏感电极之间构成电容；粗测模块包括光敏元件和光源，光敏元件和光源的一方设置于电路板，另一方设置于定子，转子和电路板分别设有通光孔；处理电路用于根据光敏元件检测到的光强脉冲次数和采集电极和敏感电极构成电容的电容值，获取转子的绝对转动角度。

Description

角位移传感器、角度测量方法和电机

技术领域

本公开涉及机电技术领域，尤其涉及一种角位移传感器、角度测量方法和电机。

背景技术

角位移传感器应用广泛，精度需求跨度大，从低端的民用云台，中端的工业机器人，到更高要求的舰载武器等，各类机械系统对于角位移传感器提出了越来越高的要求。对小体积、低功耗的角位移传感器的需求也越来越高。

发明内容

本公开提供一种角位移传感器、角度测量方法和电机，以解决相关技术中的不足。

根据本公开实施例的第一方面，提供一种角位移传感器，包括：

电路板，所述电路板设有处理电路和激励电路；

精测模块，所述精测模块包括相对设置的转子和定子，所述转子位于所述定子和所述电路板之间；所述转子朝向所述定子的一侧设有采集电极和激励电极，所述定子朝向所述转子的一侧设有耦合电极和与所述耦合电极电连接的敏感电极，所述激励电极被来自所述激励电路的电信号激励，并与耦合电极耦合使得敏感电极产生电信号，所述采集电极与所述敏感电极之间构成电容；

粗测模块，所述粗测模块包括光敏元件和光源，所述光敏元件和所述光源的一方设置于所述电路板，另一方设置于所述定子，所述转子和所述电路板分别设有通光孔；

所述处理电路用于根据所述光敏元件检测到的光强脉冲次数和所述采集电极和所述敏感电极构成电容的电容值，获取所述转子的绝对转动角度。

可选的，所述转子和所述定子为同轴设置的环状结构；在所述角位移传感器的初始位置时，所述光敏元件、所述光源和所述通光孔沿所述转子的轴向设置。

可选的，在所述转子的径向上，设于所述转子的通光孔位于所述采集电极和所述激励电极的外侧。

可选的，所述通光孔为与转子同轴设置的圆弧孔；

所述转子的径向上，所述圆弧孔的径向宽度为所述采集电极的径向宽度的1/6-1/4。

可选的，多个所述采集电极沿所述转子的周向布置，且被分为N个周期，每个周期包括M片采集电极，在顺时针方向上，N个周期的排序相同的采集电极被电连接为一组；任一周期的M片采集电极电连接到转子的输出端口，所述输出端口与所述处理电路电连接。

可选的，所述转子包括：

电极层，所述电极层包括所述采集电极和所述激励电极；

第一屏蔽层；

第二屏蔽层；

信号互联层，所述信号互联层位于所述第一屏蔽层和所述第二屏蔽层之间，所述第一屏蔽层位于所述信号互联层和所述电极层之间，所述信号互联层包括M根导线，所述M根导线与每一周期的M片采集电极一一对应的电连接；

其中，所述电极层、所述第一屏蔽层、所述信号互联层和所述第二屏蔽层中相邻两层之间设置陶瓷基板。

可选的，每一所述采集电极包括采集区和与所述采集区电连接的互联区，所述互联区相对于所述采集区沿所述转子的径向向内延伸，在所述转子的周向上，所述互联区的宽度小于所述采集区的宽度，每一周期的M个互联区与M根导线一一对应的电连接。

可选的，所述敏感电极包括多个沿所述定子周向设置的电极片，相邻电极片电连接，每一电极片包括对称设置的径向外侧边缘和径向内侧边缘，所述径向外侧边缘呈正弦曲线的前半个周期形状设置；

在所述角位移传感器的初始位置，每一电极片与同一周期的M个采集电极相对设置，电极片的数量与采集电极的周期数量相等。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种角度测量方法，应用于上述中任一项所述的角位移传感器，所述测量方法包括：

获取采集电极与敏感电极之间构成电容的电容值；

获取所述光敏元件采集到光强脉冲的次数；

根据所述电容值和和所述光强脉冲的次数，计算所述转子相对于所述定子的转动角度。

根据本公开实施例的第三方面，提供一种电机，包括如上述中任一项所述的角位移传感器。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，本公开中的处理电路与激励电路共板设计，有利于角位移传感器的小型化，粗测模块采用光源和光敏元件配合，有利于降低角位移传感器的功耗，实现小型化且低功耗的角位移传感器。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种角位移传感器的截面示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的一种转子朝向定子一侧的示意图。

图3是根据一示例性实施例示出的一种定子朝向转子一侧的示意图。

图4是根据一示例性实施例示出的一种角位移传感器的测量原理图。

图5是根据一示例性实施例示出的一种转子的截面示意图。

图6是根据一示例性实施例示出的一种采集极片与信号互联层的电连接示意图。

图7是根据一示例性实施例示出的一种角度测量方法的流程图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

图1是根据一示例性实施例示出的一种角位移传感器的截面示意图。如图1所示，该角位移传感器包括电路板1、精测模块2和粗测模块3。其中，该电路板1可以包括板体11、处理电路12和激励电路13，该处理电路12和激励电路13均设置于同一板体11上，也即可以集成在电路板1上进行共板设计，可以极大地减小角位移传感器的体积，有利于角位移传感器的小型化，为配置该角位移传感器的电子设备比如小型机电旋转系统的其他部件让出布局空间。该精测模块2包括相对设置的转子21和定子22，该转子21和定子22均可以呈圆环板状结构设置，并且该转子21和定子22同轴布置，转子21位于定子22和电路板1之间。以此通过转子21和定子22的内腔可以用于安装该角位移传感器所属设备的其他机械零件或者电子器件，比如该角位移传感器可以应用于电机系统，该转子21和定子22的内腔可以用于组装电机系统的相关零件，比如电机系统导电滑环等。

如图2所示，为了实现信号采集和信号传输，该转子21朝向定子22的一侧设有采集电极211和激励电极212，如图3所示，定子22朝向转子21的一侧设有耦合电极221和敏感电极222，敏感电极222和耦合电极221之间电连接，该激励电极212被来自激励电路13的电信号激励，并与耦合电极221耦合使得敏感电极222产生电信号，采集电极211与敏感电极222之间构成电容。

粗测模块3包括光敏元件31和光源32，光敏元件31设置于电路板1，也即该光敏元件31电连接于电路板1的板体11，光源32固定设置于定子22，并且转子21和定子22上分别设置有通光孔4，以此在角位移传感器处于初始位置处时，光源32、通光孔4和光敏元件31在转子21的轴向上对齐时，该光敏元件31可以检测到光源32发出的光线。以此可以理解为，光敏元件31和通光孔4均随转子21转动，光源32相对于定子22固定，转子21相对于定子22每转动一圈，光敏元件31可以检测到一次光源32发出的光线，形成与角度相关的光强脉冲，依此可以判定转子21是否转回至初始位置处。因此可以通过光敏元件31检测到的光强脉冲次数，判定转子21相对定子22转动的圈数。在其他一些实施例中，也可以是光源32设置于电路板1，也即该光源32电连接于电路板1的板体11，光敏元件31固定设置于定子22，本公开对此并不进行限制。当然，为了简化角度计算，角位移传感器在每一次角度测量完成后可以复位到初始位置，也即每次均以同一初始位置处作为绝对转动角度的零点。

处理电路12可以用于根据光敏元件31检测到的光强脉冲次数和采集电极211和敏感电极222之间构成电容的电容值，获取转子21相对于定子22的绝对转动角度。该处理电路12可以包括角度采集模块及粗精耦合角度解算模块，通过角度采集模块采集电容值和光强脉冲次数，通过粗精耦合角度结算模块计算绝对转动角度，提高了测角分辨率和测角精度。而且，粗测模块采用低功耗的光敏元件和低功耗的可见光源，采用低功耗的电路设计，有助于降低系统功耗。基于光强的角度粗测和电容式角度精测方案，基于粗精耦合解算得到初始角度以及角度精测模块得到的角度增量，累加输出从而实时得到绝对角度测量值，提高了测角分辨率和测角精度。

该光源可以包括LED光源，进一步降低角位移传感器的功耗。光敏元件31采用的是低功耗的可见光敏感专用芯片。整个角位移传感器系统的高度小于等于1.3mm(含定子22、转子21、敏感元件31高度及耦合气隙高度)，内径尺寸和外径尺寸可根据所属设备的需求进行确定。

在一些实施例中，在转子21的径向上，设于转子21的通光孔位于采集电极211和激励电极212的外侧，以避免该通光孔的设置影响采集电极211和激励电极212的面积需求。该激励电极212可以位于采集电极211的内侧，该采集电极211可以为圆环形结构，该激励电极212可以为圆板形结构或者圆环形结构。

在一些实施例中，转子21的通光孔4为与转子21同轴设置的圆弧孔，并且在转子21的径向上，圆弧孔的径向宽度为采集电极211的径向宽度的1/6-1/4。比如，圆弧孔的径向宽度为采集电极211的径向宽度的1/5，占用的体积很小，使得在转子21直径一定的情况下，能节省出更大的空间给采集电极211和激励电极212。

在上述各个实施例中，转子21的多个采集电极211沿转子21的周向布置，并且可以被分隔为N个周期，每个周期包括M片采集电极，并且在顺时针方向上，N个周期中排序相同的采集电极被电连接为一组，任一周期的M片采集电极211电连接到转子21的输出端口，该输出端口与处理电路12电连接。举例地，该转子21设有64片采集电极，细分为16个周期，每个周期包括4片采集电极，在顺时针方向上，每一个周期的第一个采集电极211之间互联，每一个周期的第二个采集电极211之间互联，每一个周期的第三个采集电极211之间互联，每一个周期的第四个采集电极211之间互联，最后得到四路输出电容。

举例地，如图4所示，该四路输出电容包括精测sin+信号、精测sin-信号、精测cos+信号和精测cos-信号，而根据电容耦合原理，采集电极211和敏感电极222之间构成电容的大小与采集电极211的采集电压呈正比，因此该精测sin+信号、精测sin-信号、精测cos+信号和精测cos-信号可以通过各自对应的调解电路C/V实现电容解调，从而输出四路输出电压，四路输出电压通过R/D转换，得到精测角度，该精测角度可以被输入至粗精耦合角度解算模块，以结合粗测模块的粗测结果，得到转子21的绝对转动角度。

其中，耦合电极221包括多个电极片，该耦合电极221的电极片的数量与采集电极211构成的周期数量相等，电极片的数量可以被定义为精测模块的极对数，一定尺寸范围内极对数越高，圆周方向角度测量误差的均化效果越好，角度检测精度越高。综合考虑精度、分辨率及制造误差因素，可以确定精测模块的极对数。在有限尺寸范围内，精测模块定、转子耦合面积最大化设计，有助于提高角度检测的灵敏度。

该精测模块2的转子21可以基于印制电路板工艺制作，如图5所示，该转子21包括电极层213、第一屏蔽层214、信号互联层215和第二屏蔽层216。其中，该电极层213包括采集电极211和激励电极212，信号互联层215位于第一屏蔽层214和第二屏蔽层216之间，第一屏蔽层214位于信号互联层215和电极层213之间。也即在该转子21背离定子22的方向上依次堆叠电极层213、第一屏蔽层214、信号互联层215和第二屏蔽层216。信号互联层215包括M根导线217，该M根导线217与每一周期的M片采集电极211一一对应的电连接，从而实现N个周期中排序相同的采集电极被电连接为一组的方案。

其中，电极层213、第一屏蔽层214、信号互联层215和第二屏蔽层216中相邻两层之间设置陶瓷基板。而陶瓷基板的利用相对于常规的介质基板，加工精度更高，因此有利于配置该陶瓷基板的精测模块2的角度测量精度的提高。该转子21在指向定子22的方向上第一层和第三层均为屏蔽层，可以减小信号耦合及外部电磁环境变化对检测输出的影响。定子22也可以采用电路板工艺制造形成，定子22的耦合电极221和敏感电极222、以及转子21的采集电极211和激励电极212均采用过孔填塞后表面沉金的工艺，电极表面不再进行其他表面处理，减小定、转子耦合表面介质分布变化引起的电容输出变化，提高角度测量精度。

如图6所示，每一采集电极211包括采集区2111和与采集区2111电连接的互联区2112，互联区2112相对于采集区2111沿转子21的径向向内延伸，在转子21的周向上，互联区2112的宽度小于采集区2111的宽度，每一周期的M个互联区2112与M根导线一一对应的电连接。基于此，相对于采集区2111覆盖M根导线217的方案，由于互联区2112的宽度减小，在转子21的轴向上，采集电极211与M根导线的重合面积减小，减小不同通路间的信号耦合，可以减小导线与采集电极211之间的寄生电容，提升角度精测的精度。

在一些实施例中，敏感电极222包括多个沿定子22周向设置的电极片，相邻电极片电连接，每一电极片包括对称设置的径向外侧边缘2221和径向内侧边缘2222，径向外侧边缘2221呈正弦曲线的前半个周期形状设置，如图3所示；在角位移传感器的初始位置，每一电极片与同一周期的M个采集电极211相对设置，耦合极片的数量与采集电极211的周期数量相等。图6中黑色点位置代表互联区2112与对应的导线之间通过金属化孔电连接的位置。

基于本公开的技术方案，如图7所示，本公开还提供一种角度测量方法，该测量方法应用于上述任一项实施例所述的角位移传感器。该测量方法包括以下步骤：

在步骤701中，获取采集电极211与敏感电极222之间构成电容的电容值。

在步骤702中，获取光敏元件31采集到光强脉冲的次数。

在步骤703中，根据电容值和和光强脉冲的次数，计算转子相对于所述定子的转动角度。

在该实施例中，可以在位于精测模块2的转子21的激励电极212上施加频率、幅值稳定的正弦电压，通过电容耦合，相同频率的电压作用于定子22的耦合电极221，耦合电极221与敏感电极222相互连接，正弦花瓣形式的敏感电极221与转子21上的四路采集电极211形成敏感电容。精测模块2的转子21相对于定子22有转角变化时，四路电容值同时发生改变，通过解调电路实现电容解调输出电压，再通过R/D转换获得定、转子相对转角信息。精测模块的定子和转子相对转动至光源32正对通光孔上方时，可见光被光敏元件31敏感，形成与角度相关的光强脉冲。定子22和转子21相对转动时，处理电路12同时读取光强及定子22和转子21相对转角信息，结合峰值光强覆盖的角度范围进行粗精耦合解算得到初始角度。基于初始角度和精测相对转角是否跨过初始角位置的情况，持续判断并在初始角度的基础上累加定子22和转子21相对转角输出得到绝对角度。

基于本公开的技术方案，还提供一种电机，该电机包括前述任一项实施例中所述的角位移传感器，利用角位移传感器的小型化，有利于电机内部的结构紧凑性，而且角位移传感器的转子21内腔和定子22的内腔，还可以用于容纳电机的相关零件，有利于电机的小型化。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本公开旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种角位移传感器，其特征在于，包括：

电路板，所述电路板设有处理电路和激励电路；

精测模块，所述精测模块包括相对设置的转子和定子，所述转子位于所述定子和所述电路板之间；所述转子朝向所述定子的一侧设有采集电极和激励电极，所述定子朝向所述转子的一侧设有耦合电极和与所述耦合电极电连接的敏感电极，所述激励电极被来自所述激励电路的电信号激励，并与耦合电极耦合使得敏感电极产生电信号，所述采集电极与所述敏感电极之间构成电容；

粗测模块，所述粗测模块包括光敏元件和光源，所述光敏元件和所述光源的一方设置于所述电路板，另一方设置于所述定子，所述转子和所述电路板分别设有通光孔；

所述处理电路用于根据所述光敏元件检测到的光强脉冲次数和所述采集电极和所述敏感电极构成电容的电容值，获取所述转子的绝对转动角度。

2.根据权利要求1所述的角位移传感器，其特征在于，所述转子和所述定子为同轴设置的环状结构；在所述角位移传感器的初始位置时，所述光敏元件、所述光源和所述通光孔沿所述转子的轴向设置。

3.根据权利要求1所述的角位移传感器，其特征在于，在所述转子的径向上，设于所述转子的通光孔位于所述采集电极和所述激励电极的外侧。

4.根据权利要求1所述的角位移传感器，其特征在于，设置于所述转子的所述通光孔为与转子同轴设置的圆弧孔；

所述转子的径向上，所述圆弧孔的径向宽度为所述采集电极的径向宽度的1/6-1/4。

5.根据权利要求1所述的角位移传感器，其特征在于，多个所述采集电极沿所述转子的周向布置，且被分为N个周期，每个周期包括M片采集电极，在顺时针方向上，N个周期的排序相同的采集电极被电连接为一组；任一周期的M片采集电极电连接到转子的输出端口，所述输出端口与所述处理电路电连接。

6.根据权利要求5所述的角位移传感器，其特征在于，所述转子包括：

电极层，所述电极层包括所述采集电极和所述激励电极；

第一屏蔽层；

第二屏蔽层；

信号互联层，所述信号互联层位于所述第一屏蔽层和所述第二屏蔽层之间，所述第一屏蔽层位于所述信号互联层和所述电极层之间，所述信号互联层包括M根导线，所述M根导线与每一周期的M片采集电极一一对应的电连接；

其中，所述电极层、所述第一屏蔽层、所述信号互联层和所述第二屏蔽层中相邻两层之间设置陶瓷基板。

7.根据权利要求6所述的角位移传感器，其特征在于，每一所述采集电极包括采集区和与所述采集区电连接的互联区，所述互联区相对于所述采集区沿所述转子的径向向内延伸，在所述转子的周向上，所述互联区的宽度小于所述采集区的宽度，每一周期的M个互联区与M根导线一一对应的电连接。

8.根据权利要求7所述的角位移传感器，其特征在于，所述敏感电极包括多个沿所述定子周向设置的电极片，相邻电极片电连接，每一电极片包括对称设置的径向外侧边缘和径向内侧边缘，所述径向外侧边缘呈正弦曲线的前半个周期形状设置；

在所述角位移传感器的初始位置，每一电极片与同一周期的M个采集电极相对设置，电极片的数量与采集电极的周期数量相等。

9.一种角度测量方法，其特征在于，应用于权利要求1-8中任一项所述的角位移传感器，所述测量方法包括：

获取采集电极与敏感电极之间构成电容的电容值；

获取所述光敏元件采集到光强脉冲的次数；

根据所述电容值和所述光强脉冲的次数，计算所述转子相对于所述定子的转动角度。

10.一种电机，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的角位移传感器。