一種非接觸式轉角轉矩傳感器的製作方法
2023-08-05 02:31:26
專利名稱：一種非接觸式轉角轉矩傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於磁、機電一體化數字式傳感器領域，具體涉及一種非接觸式磁阻轉矩轉角傳感器。
背景技術：
轉向扭矩、角度及方向是汽車行駛中的重要參數，特別是對於裝備有電動助力轉向系統的汽車而言。扭矩傳感器是電動助力轉向系統是關鍵的部件之一。而將轉向扭矩、 角度及方向三者的測量集成到單一的傳感器上進行是汽車發展必然的選擇，同時非接觸式扭矩傳感器也必將代替接觸式扭矩傳感器。扭矩傳感器成本的降低及測量更加易於實現也將成為電動助力轉向快速發展的一個重要因素。因此為電動助力轉向提出一種符合條件的結構並做出研究是非常必要的。傳統的轉角傳感器，有的採用在旋轉軸上安裝加工有柵槽的齒盤，通過發光電晶體產生光源，光敏電阻元件接受光信號，輸出脈衝電信號，信號頻率對應一定的轉速數據， 實現轉速的測量。轉速傳感器的測量精度主要受柵槽齒的間距、光敏元件信號的解析度和電路性能限制。傳統的扭矩傳感器也由轉速傳感器和受扭矩的彈性元件等組成。彈性元件上貼有應變片，彈性元件受扭矩後應力發生變化，應變片輸出電信號，通過集流環將信號引出， 信號大小對應一定的扭矩數據。為了克服傳統的轉角傳感器測量精度受到柵槽齒的間距和光敏元件信號解析度的限制等不足以及轉矩信號測量精度不足，本文系統地探討和建立了一種基於磁阻效應的，可以同時測量轉向扭矩、角度及轉向方向的轉向傳感器。該傳感器精度很高，能夠滿足電動助力轉向系統的要求。目前，這種非接觸式轉矩轉角傳感器適用於例如汽車的電動助力轉向技術方面作為電動助力轉向中主要參數轉矩和轉角來檢測因駕駛員的轉向操作而旋轉的轉向軸的轉角和轉矩。一般在檢測轉角所用的方法為一邊與轉向軸的轉向聯動而是主動齒輪一體旋轉，一邊根據與該主動齒輪嚙合的多個從動齒輪之間產生的旋轉的相位差，通過在ARM中的數據處理運算出絕對轉角。在檢測轉矩中所用的方法是通過一個扭杆將兩個軸連接在一起，在這兩個軸上面裝上旋轉角度的檢測裝置，當轉矩作用於兩軸之間並產生軸間的扭曲時，通過比較旋轉軸的旋轉角度可以檢測出轉矩。這樣不管是對轉角還是轉矩的測量都轉化為對轉角的測量。
發明內容
為了克服上述各種轉角測量存在的不足，本發明提供了一種基於磁阻效應來檢測絕對轉角的轉角測量裝置，來分別測量方向盤轉過的轉角和以及駕駛員所施加的轉矩。本發明解決測量方向盤轉角的技術問題所採用的技術方案是採用了一種大範圍高精度絕對轉角測量裝置，具有與旋轉體相連的主動齒輪9和與主齒輪嚙合的第一從動齒輪10和第二從動齒輪12 ；在第一從動齒輪10和第二從動齒輪12中內嵌有產生磁場的磁鐵11，在第一從動齒輪10和第二從動齒輪12的上方分別設置有測量轉角晶片組合17a和測量轉角晶片組合17b。所述第一從動齒輪10和第二從動齒輪12的齒數不同主動齒輪9 與第一從動齒輪10的齒數比為3，與第二從動齒輪12的齒數比為2。所述磁阻晶片13距離磁鐵11距離不超過3mm。基於此裝置設計的方向盤轉角傳感器可以滿足汽車方向盤5圈角度測量範圍要求，輸出角度解析度可以達到0.1度，滿足車輛電子助力轉向(EPS )系統的使用要求。此裝置輸出的為絕對轉角，方向盤零點位置為機械記憶，傳感器掉電後下次上電仍可以記憶， 無需輔助系統計算或存儲零點位置。本發明藉助基於磁阻效應(MR)的角度探測晶片測量單圈角度。該晶片將四個磁電阻(MR)構成惠更斯電橋結構，該結構可以減少外界環境對傳感器輸出穩定性的影響，增加傳感器靈敏度。本發明解決測量轉矩的技術問題所採用的技術方案是將信號盤3與輸入軸部件 1通過過盈配合相固接，將測量輸入軸部件1與輸出軸部件6相對轉角的磁阻傳感器組件5 與輸出軸部件6相固接，這樣當輸入軸部件1與輸出軸部件6因轉矩作用發生相對轉動的時候，二者之間會產生一個相對轉角。在外加磁場的作用下測量轉角晶片組合17可以檢測通過後處理晶片15得到這個角度，再通過後處理晶片15可以把所施加的轉矩計算出來。本發明的目的在於提供一種可以沒有誤差、高精度且高解析度地檢測出轉向軸等旋轉軸的旋轉角度及轉矩的旋轉角度檢測裝置。本發明所提供的旋轉角度檢測裝置包括具有扭杆的軸部；檢測上述軸部的旋轉角度的旋轉角度檢測部；檢測上述扭杆彈簧8的扭轉角度的轉矩檢測部，其中，上述旋轉角度檢測部及上述轉矩檢測部通過利用彼此的檢測結果來提高自身的檢測精度。在上述的旋轉角度檢測裝置中，旋轉角度檢測裝置在檢測軸部的旋轉角度時利用轉矩檢測部的檢測結果。另一方面，轉矩檢測部在檢測軸部的轉矩時利用旋轉角度檢測部的檢測結果。因此，與以往單獨地進行各種檢測的情況相比，可以高精度且高解析度地檢測出軸部的旋轉角度及轉矩。本發明有益效果是實現非接觸式測量轉角和轉矩，與以前的相關發明相比還具有結構簡單，精度高，靈敏度高，壽命長等特點。
圖1是本發明傳感器整體的結構圖。圖2是本發明轉角測量部件的機械部分的結構圖。圖3是圖2的轉角信號測試的原理圖。圖4是磁阻晶片測量轉角信號電路圖。圖5是KMZ41磁阻晶片13輸出信號圖。圖6表示了轉角信號處理流程圖。圖7表示了轉矩信號測量示意圖。圖8表示了轉矩信號測量原理圖。標記說明1輸入軸部件，2轉角測量部件，3信號盤，4臺架盤，5磁阻傳感器組件，6輸出軸部件，7銷，8扭杆彈簧，9主動齒輪，10第一從動齒輪，11磁鐵，12第二從動齒輪，13 KMZ41磁阻晶片，14 UZZ9001微處理晶片，15後處理晶片，17測量轉角晶片組合，17a 第一測量轉角晶片組合，17b第二測量轉角晶片組合。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。如圖1所示的本發明的整體結構圖。從外觀看輸入軸部件1和輸出軸部件6並沒有直接連接在一起，但內部卻通過扭杆彈簧8相連接。輸入軸部件1與扭杆彈簧是通過銷連接固定在一起的，輸出軸部件6與扭杆彈簧8之間是通過另一個銷連接固定。轉角測量部件2和輸入軸部件1連接固定在一起，可以測量輸入軸部件的絕對轉角。轉角測量部件2主要包括主動齒輪9，第一從動齒輪10，第二從動齒輪12，磁鐵11，測量轉角晶片組合 17 (包括KMZ41磁阻晶片13以及UZZ9001微處理晶片14)等。其中如圖3所示第一從動齒輪10上面的磁鐵11對應著第一測量轉角晶片組合17a，第二從動齒輪12上面的磁鐵11 對應著第二測量轉角晶片組合17b，通過測量轉角晶片組合17可以分別測得第一從動齒輪 10和第二從動齒輪12轉過的轉角，再把測得的角度值發送給後處理晶片15經過計算以後得到測量輸入軸部件1所轉過的角度值。因此轉角測量部件2主要作用是測量輸入軸部件 1所轉過的角度，實現傳感器測量轉角的功能。信號盤3是用矽鋼加工成的齒輪形裝置，再外加磁場的激勵下會產生較強的磁場，通過過盈配合與輸入軸部件1連接在一起，當輸入軸部件1旋轉一定角度時會帶動信號盤3轉動相同的角度，引起測量轉角晶片組合17周圍的磁場變化。磁阻傳感器組件5主要包括矩形磁鐵11和測量轉角晶片組合17，測量轉角晶片組合17貼在矩形磁鐵11上面。 磁阻傳感器組件5可以測得在測量轉矩時輸入軸部件1和輸出軸部件6之間的相對轉角。 磁阻傳感器組件5固定在信號盤3上面，信號盤3和輸出軸部件6通過過盈配合連接在一起。當輸出軸部件6轉動一定角度時會帶動信號盤3轉動從而帶動磁阻傳感器組件5轉動同樣的角度。當傳感器在測量轉矩時，輸入軸部件1被加載扭矩，信號盤3跟隨輸入軸部件 1 一起轉動，磁阻傳感器組件5跟隨輸出軸部件6 —起轉動，這樣信號盤3和磁阻傳感器組件5之間就會產生相對轉動，通過磁阻傳感器組件5可以測得相對轉角，利用測得的相對轉角值可以在後處理晶片15中計算出轉矩值。該傳感器就實現了轉角和轉矩同時測量。圖2所示的一種大範圍高精度絕對轉角測量部件2的機械部分主要包括主動齒輪9，第一從動齒輪10和第二從動齒輪12。其中主動齒輪9第一從動齒輪10和第二從動齒輪12與主動齒輪9嚙合；當輸入軸部件1轉動一定角度時，主動齒輪9也轉動同樣的角度，主動齒輪9通過齒輪嚙合帶動第一從動齒輪10和第二從動齒輪12分別轉動不同的角度(因為所述第一從動齒輪10和第二從動齒輪12的齒數不同)。在第一從動齒輪10和第二從動齒輪12中內嵌有產生磁場的磁鐵11，在第一從動齒輪10和第二從動齒輪12的上方分別設置有第一測量轉角晶片組合17a和第二測量轉角晶片組合17b。其中第一測量轉角晶片組合17a、第二測量轉角晶片組合17b和測量轉角晶片組合17 (包括KMZ41磁阻晶片13以及UZZ9001微處理晶片14)是一樣的。其中KMZ41磁阻晶片13用於探測磁場方向變化，KMZ41磁阻晶片13將側的信號發送給UZZ9001微處理晶片14，經過處理得到一個轉角數值以後再發送給後處理晶片15 ；這樣後處理晶片15將兩個轉角值經過算法處理以後就得到輸入軸部件1所轉過的角度值，實現傳感器測量轉角功能。KMZ41磁阻晶片13距離磁鐵11距離不超過3mm。所述第一從動齒輪10和第二從動齒輪12的齒數不同主動齒輪9與第一從動齒輪10的齒數比為3 5，與第二從動齒輪12的齒數比為2 3。圖3表示了測量轉角晶片組合17測量轉角信號的原理，當主動齒輪9旋轉運動， 轉過 ff度時候，從第一從動齒輪10 轉過0度和第二從動齒輪12轉過W度。由於第一從動齒輪10和第二從動齒輪12齒數不同，所以β*-。第一從動齒輪10和第二從動齒輪12旋轉運動分別帶動了與其鑲嵌磁鐵11 旋轉，因而引起了磁場的變化。在第一從動齒輪10和第二從動齒輪12中內嵌有產生磁場的磁鐵11，在第一從動齒輪10和第二從動齒輪12的上方分別設置有第一測量轉角晶片組合17a和第二測量轉角晶片組合17b。其中第一測量轉角晶片組合17a、第二測量轉角晶片組合17b和測量轉角晶片組合17(包括KMZ41磁阻晶片13以及UZZ9001微處理晶片14)是一樣的。其中KMZ41磁阻晶片13用於探測磁場方向變化，KMZ41磁阻晶片13將側的信號發送給UZZ9001微處理晶片14，經過處理得到一個轉角數值以後再發送給後處理晶片15 ； 這樣後處理晶片15將兩個轉角值經過算法處理以後就得到主動齒輪9轉過的絕對轉角1P。 由於輸入軸部件1和主動齒輪9通過過盈配合連接在一起，因此主動齒輪9轉過的絕對轉角-就是輸入軸部件1所轉過的角度值，實現傳感器測量轉角的功能。圖4表示了轉角信號測量的部分電路圖。通過圖中可以知道測量轉角晶片組合17包括KMZ41磁阻晶片13和UZZ9001微處理晶片14。當第一從動齒輪10和第二從動齒輪12中間鑲嵌的磁鐵旋轉一定角度時，KMZ41磁阻晶片13可以檢測到磁場的變化，將測得轉角信號轉換為正弦信號，KMZ41磁阻晶片13的兩組輸出信號可以表示為 JT(O^T) 二 Jfn ⑴趙
權利要求
1.一種非接觸式轉角轉矩傳感器，包括輸入軸部件、輸出軸部件、扭杆彈簧、轉角測量部件、磁阻傳感器組件、信號盤、臺架盤；其特徵在於輸入軸部件和輸出軸部件通過扭杆彈簧相連接；轉角測量部件和輸入軸部件連接固定在一起，可以測量輸入軸部件的絕對轉角；信號盤和輸入軸部件連接在一起，臺架盤和輸出軸部件連接在一起，磁阻傳感器組件安裝在臺架盤上；當在輸入軸部件被加載扭矩，信號盤跟隨輸入軸部件一起轉動，將轉矩信號轉換成角度信號，信號盤和磁阻傳感器組件之間有相對轉動，可以測得相對轉角，利用相對轉角進而可以測出轉矩；實現同時測量轉角和轉矩。
2.根據權利要求1所述的一種非接觸式轉角轉矩傳感器，其特徵在於輸入軸部件與扭杆彈簧通過銷機械連接，輸出軸部件與扭杆彈簧通過銷機械連接。
3.根據權利要求1所述的一種非接觸式轉角轉矩傳感器，其特徵在於信號盤是用矽鋼加工成的齒輪型部件，信號盤和輸入軸部件通過過盈配合機械連接在一起，臺架盤和輸出軸部件通過過盈配合機械連接在一起，磁阻傳感器組件通過螺釘機械固定在臺架盤上。
4.根據權利要求1所述的一種非接觸式轉角轉矩傳感器，其特徵在於轉角測量部件包括主動齒輪、第一從動齒輪、第二從動齒輪，主動齒輪和輸入軸部件機械連接；第一從動齒輪和第二從動齒輪和主動齒輪嚙合；第一從動齒輪和第二從動齒輪中均嵌有產生磁場的磁鐵；第一從動齒輪的上方設置有磁阻晶片，該磁阻晶片和第一從動齒輪中的磁鐵的距離不超過3mm;第二從動齒輪的上方也設置有磁阻晶片，該磁阻晶片和第二從動齒輪中的磁鐵的距離不超過3mm;磁阻晶片用於探測磁場方向的變化；上述兩個磁阻晶片分別安裝在第一測量轉角晶片組合和第二測量轉角晶片組合中。
5.根據權利要求1所述的一種非接觸式轉角轉矩傳感器，其特徵在於將信號盤與輸入軸部件通過過盈配合相固接，將測量輸入軸部件與輸出軸部件相對轉角的磁阻傳感器組件與輸出軸部件相固接，當輸入軸部件與輸出軸部件因轉矩作用發生相對轉動的時候，二者之間會產生一個相對轉角；在外加磁場的作用下磁阻傳感器組件中的磁阻晶片可以檢測到這個角度，再通過後處理晶片可以把所施加的轉矩計算出來。
6.根據權利要求1所述的一種非接觸式轉角轉矩傳感器，其特徵在於第一從動齒輪和第二從動齒輪的齒數不同主動齒輪與第一從動齒輪的齒數比為3 5，與第二從動齒輪的齒數比為2 3。
7.根據權利要求1所述的一種非接觸式轉角轉矩傳感器，其特徵在於磁阻傳感器組件與信號盤的距離不超過2 mm。
8.根據權利要求1所述的一種非接觸式轉角轉矩傳感器，其特徵在於主動齒輪和從動齒輪旋轉時，安裝在第一從動齒輪上方的第一測量轉角晶片組合中的磁阻晶片和安裝在第二從動齒輪上方的第二測量轉角晶片組合中得磁阻晶片檢測隨第一從動齒輪和第二從動齒輪中磁鐵的旋轉而發生的磁場變化。
全文摘要
本發明涉及一種的基於磁阻效應的用於檢測精密機構高精度轉角和轉矩的傳感器，包括輸入軸部件、輸出軸部件、信號盤、託盤、扭杆彈簧、轉角測量部件、磁阻傳感器組件。轉角測量部件固定在輸入軸部件上面用於測量絕對轉角值；信號盤固定在輸入軸部件上面加上固定在臺架盤上面的磁阻傳感器組件來測量轉矩值。在測量轉角和轉矩都採用了KMZ41磁阻晶片，因而不與測量的部件直接接觸。本發明其結構緊湊、結構強度高，精度高、壽命長，可方便獲得轉角轉矩值。
文檔編號G01B7/30GK102506698SQ20111034354
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月4日 優先權日2011年11月4日
發明者周磊磊, 姜武華, 畢玲峰, 王金波, 趙林峰, 陳無畏 申請人:合肥工業大學