專利名稱：超大量程絕對位置角度傳感器及絕對位置的角度檢測方法
技術領域：
本發(fā)明屬于測試測量傳感器技術領域，特別涉及用于要求超大量程、輸出絕對位 置、較高精度、小體積、環(huán)境惡劣情況下的角度測量。
背景技術：
隨著工業(yè)自動化控制、汽車電動助力轉向、汽車電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的發(fā)展，角度 傳感器的應用越來越多。按輸出角度值的0位置是否固定進行區(qū)分，角度傳感器可分為絕 對位置角度傳感器和相對位置角度傳感器，相對位置角度傳感器也稱為增量式角度傳感 器。相對位置角度傳感器記錄通電時刻的位置為0位置，除非在轉動到其他位置后由外部 信號進行指令，將所在位置記錄為0位置，否則一直認為上電時刻的位置為0位置，其他位 置的獲得通過計數進行累加，所以這種角度傳感器存在的問題一是可能產生累積誤差，也 就是計數出錯的累積性，二是通常應用過程中需要每次通電后進行0位置的標定，給應用 帶來麻煩。而絕對位置角度傳感器則沒有上述問題，在絕對位置角度傳感器的整個生命周 期內，只需要由外部信號判斷一次0位置，角度傳感器便能一直輸出絕對位置，不會有累積 誤差，也不需要每次通電后標定0位置。采用磁感應芯片是一種常用的絕對位置角度傳感 器的實現方案。磁感應芯片能夠在磁場作用下輸出兩路電壓值，磁場勻速旋轉時，輸出的電 壓值構成正余弦曲線。常用的磁感應芯片有KMZ41、TLE5010、TLE5011、TLE5012等。其中 TLE5010、TLE5011、TLE5012為巨磁效應磁感應芯片，這些芯片在外界磁場0-360°轉動時， 輸出對應的正余弦值。磁感應效應具有非接觸、響應快速、滯回特性好、抗環(huán)境干擾等良好的特性。磁感 應芯片的特性如

圖1所示，在磁場方向連續(xù)變化的過程中，磁感應芯片的輸出值為正弦和 余弦信號，在單片機內部對正弦和余弦信號進行反正切計算，可以得到0-360°的角度值， 對應磁場0-360°的方向變化。磁場轉動方向超過360°時，磁感應芯片仍然得到0-360° 范圍內的值，所以單個磁感應芯片對的量程為360°?；诖鸥袘慕嵌葌鞲衅骶哂泻芎玫膽脙r值和實用前景，并且已經在汽車 上有一定的應用。汽車上采用的磁感應效應角度傳感器，是一種量程較小的絕對位置角度 傳感器，量程通常在2500°以內，而在其他工業(yè)自動化應用場合，需要大量程絕對位置的角 度傳感器。比如電機控制的舉升裝置，由于電機通電時刻需要確定當前舉升臺面的高度， 如果用增量式角度傳感器建立電機軸轉動角度和舉升高度的關系，就需要通電后先回到初 始位置，然后標定零位再開始正常工作，這不僅增加了系統(tǒng)運動復雜化，也影響效率和可靠 性。而絕對位置角度傳感器則不必標定初始位置，因為它通電就能輸出絕對角度。此時可 能需要角度傳感器有幾萬甚至幾十萬度的量程，現有的絕對位置角度傳感器量程均未超過 2500°，不能用于上述應用場合。角度傳感器的量程與結構設計及其算法有關，算法在角度傳感器的單片機中運 行，算法是角度傳感器的一部分。采用單個巨磁效應磁感應芯片時能夠測量0-360度范圍 內的絕對角度，且不需要專門的計算方法即可實現角度的測量。汽車上用于測量方向盤轉角的角度傳感器采用2個磁鐵及磁感應芯片對，測量范圍一般在2500°以內，需要采用平 面幾何的方法進行查表計算。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術的不足之處，提出一種超大量程絕對位置角度傳 感器及絕對位置的角度檢測方法，采用至少3個磁鐵及磁感應芯片對并采用解析幾何的方 法進行絕對位置的角度檢測，可以實現很大的測試量程，具有絕對位置輸出，并且具有較高 的測量精度。本發(fā)明提出的超大量程絕對位置角度傳感器，包括組裝成一體的外殼、轉動輸入 齒輪、至少3個具有不同齒數的從動齒輪、分別與每個從動齒輪固連的磁鐵、磁感應芯片、 單片機、電源模塊、總線接口芯片；其中，磁鐵和磁感應芯片的個數均與從動齒輪的數目相 同，磁鐵與從動齒輪固連，磁感應芯片位于磁鐵的下方；磁感應芯片、電源模塊、總線接口芯 片分別與單片機電連接，組成傳感器的處理電路。所述磁感應芯片用于檢測磁鐵產生的磁場方向，單片機用于接收磁感應芯片的輸 出并計算對應的角度值，總線接口芯片用于轉換外部總線的電平和單片機引腳的電平，電 源模塊用于為磁感應芯片、單片機及總線接口芯片供電。本發(fā)明還提出采用具有三個從動齒輪的傳感器的絕對位置的角度檢測方法，其特 征在于，包括兩個部分，一是根據各齒輪齒數，建立三維MAP圖，并儲存在單片機內，二是單 片機采集各個磁感應芯片的輸出值，經反正切計算得到各自對應的角度，查三維MAP圖得 到輸入轉角。所述根據各齒輪齒數，建立三維MAP圖，并儲存在單片機內，具體包括1)根據所需量程，確定從動齒輪個數及轉動輸入齒輪與各從動齒輪的齒數；2)將轉動輸入齒輪的絕對轉角作為橫坐標，從動齒輪轉角作為縱坐標，畫出各從 動齒輪的轉角與轉動輸入齒輪的轉角的對應曲線；3)對步驟2)曲線中任意從動齒輪的相鄰兩個轉角的0度值之間的區(qū)間進行編號， 計算各區(qū)間對應的角度偏移量；角度偏移量為該區(qū)間內任意從動齒輪轉角的前一個0度值 所對應的轉動輸入齒輪的絕對轉角值；4)將步驟2)曲線中對應轉動輸入齒輪的同一轉角的三個從動齒輪的轉角值作 為三維坐標空間的一個點(即三個從動齒輪的轉角值分別為該點的三個坐標值)，畫出三 維圖，該三維圖由多條線段組成，每條線段對應步驟3)中一個區(qū)間，線段編號與區(qū)間編號 --對應；5)將所述各線段的延長線與三維坐標空間中的一個二維坐標平面的交點作為該 線段的特征點；6)將步驟2)_5)得到的各線段編號、各線段對應的角度偏移量及特征點作為MAP 圖，存儲在單片機中；所述單片機采集各個磁感應芯片的輸出值，經反正切計算得到各自對應的角度， 查三維MAP圖得到輸入轉角，具體包括7)將被測轉動物與轉動輸入齒輪相連，當被測轉動物轉動時，單片機實時采集各 磁感應芯片輸出的正余弦值，并將正余弦值進行反正切計算之后得到各從動齒輪轉動的角
5度值，將同一時刻得到的三個齒輪角度值對應三維坐標系中的一個點；8)通過所述點與所述MAP圖中的線段平行的方向作直線，該直線與所述步驟5)中 所述的二維坐標平面的相交點為該時刻的檢查點；9)在該二維坐標平面中查找與該檢查點距離最近的特征點，再在MAP圖中查找到 與該特征點對應的線段；10)根據該線段對應的角度偏移量和相應的從動齒輪角度值計算得到實際轉動輸 入齒輪的絕對位置角度，即被測轉動物的絕對位置角度Ang。計算公式如下
權利要求
一種超大量程絕對位置角度傳感器，其特征在于，該傳感器包括組裝成一體的外殼、轉動輸入齒輪、至少3個具有不同齒數的從動齒輪、分別與每個從動齒輪固連的磁鐵、磁感應芯片、單片機、電源模塊、總線接口芯片；其中，磁鐵和磁感應芯片的個數均與從動齒輪的數目相同，磁鐵與從動齒輪固連，磁感應芯片位于磁鐵的下方；磁感應芯片、電源模塊、總線接口芯片分別與單片機電連接，組成傳感器的處理電路；所述磁感應芯片用于檢測磁鐵產生的磁場方向，單片機用于接收磁感應芯片的輸出并計算對應的角度值，總線接口芯片用于轉換外部總線的電平和單片機引腳的電平，電源模塊用于為磁感應芯片、單片機及總線接口芯片供電。
2.一種采用具有三個從動齒輪的傳感器的絕對位置的角度檢測方法，其特征在于，包 括兩個部分，一是根據各齒輪齒數，建立三維MAP圖，并儲存在單片機內，二是單片機采集 各個磁感應芯片的輸出值，經反正切計算得到各自對應的角度，查三維MAP圖得到輸入轉所述根據各齒輪齒數，建立三維MAP圖，并儲存在單片機內，具體包括1)根據所需量程，確定從動齒輪個數及轉動輸入齒輪與各從動齒輪的齒數；2)將轉動輸入齒輪的絕對轉角作為橫坐標，從動齒輪轉角作為縱坐標，畫出各從動齒 輪的轉角與轉動輸入齒輪的轉角的對應曲線；3)對步驟2)曲線中任意從動齒輪的相鄰兩個轉角的0度值之間的區(qū)間進行編號，計算 各區(qū)間對應的角度偏移量；角度偏移量為該區(qū)間內任意從動齒輪轉角的前一個0度值所對 應的轉動輸入齒輪的絕對轉角值；4)將步驟2)曲線中對應轉動輸入齒輪的同一轉角的三個從動齒輪的轉角值作為三 維坐標空間的一個點(即三個從動齒輪的轉角值分別為該點的三個坐標值)，畫出三維圖， 該三維圖由多條線段組成，每條線段對應步驟3)中一個區(qū)間，線段編號與區(qū)間編號一一對 應；5)將所述各線段的延長線與三維坐標空間中的一個二維坐標平面的交點作為該線段 的特征點；6)將步驟2)-5)得到的各線段編號、各線段對應的角度偏移量及特征點作為MAP圖，存 儲在單片機中；所述單片機采集各個磁感應芯片的輸出值，經反正切計算得到各自對應的角度，查三 維MAP圖得到輸入轉角，具體包括7)將被測轉動物與轉動輸入齒輪相連，當被測轉動物轉動時，單片機實時采集各磁感 應芯片輸出的正余弦值，并將正余弦值進行反正切計算之后得到各從動齒輪轉動的角度 值，將同一時刻得到的三個齒輪角度值對應三維坐標系中的一個點；8)通過所述點與所述MAP圖中的線段平行的方向作直線，該直線與所述步驟5)中所述 的二維坐標平面的相交點為該時刻的檢查點；9)在該二維坐標平面中查找與該檢查點距離最近的特征點，再在MAP圖中查找到與該 特征點對應的線段；10)根據該線段對應的角度偏移量和相應的從動齒輪角度值計算得到實際轉動輸入齒 輪的絕對位置角度，即被測轉動物的絕對位置角度Ang。計算公式如下Jng = OA(X)+P Μ*— - M其中Μ為轉動輸入齒輪齒數，m為從動齒輪的齒數，P_N1為齒數為m的從動齒輪對應 的磁感應芯片的輸出值得到的角度值，OA(χ)為編號為χ的線段的相對于齒數為m的從動 齒輪對應的角度偏移量。
全文摘要
本發(fā)明涉及超大量程絕對位置角度傳感器及絕對位置的角度檢測方法，屬于測試測量傳感器技術領域。該角度傳感器包括組裝成一體的外殼、轉動輸入齒輪、至少3個從動齒輪、與從動齒輪固連的磁鐵、磁感應芯片、單片機、電源模塊、總線接口芯片組成。其中，磁感應芯片與磁鐵成對出現，空間上磁感應芯片位于磁鐵下方。磁感應芯片、單片機、電源模塊、總線接口芯片共同組成傳感器的處理電路。該方法包括根據各齒輪齒數比，建立MAP圖，并儲存在單片機內，單片機采集各個磁感應芯片的輸出值，經反正切計算得到各自對應的角度，查MAP圖得到輸入轉角。本發(fā)明適用于要求測量范圍較大、傳感器輸出絕對位置、傳感器體積較小、角度測試精度較高的場合。
文檔編號G01B7/30GK101975549SQ201010515478
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權日2010年10月15日
發(fā)明者于良耀, 吳凱輝, 宋健, 李東兵, 李亮, 李紅志, 汪春華, 王進丁, 鐘建軍 申請人:昌輝汽車電氣系統(tǒng)(安徽)有限公司;清華大學