專利名稱：一種絕對式多圈轉動角度的檢測裝置及方法
技術領域：
本發明涉及檢測轉動角度技術領域，特別涉及一種絕對式多圈轉動角度的檢測裝置及方法。
背景技術：
目前轉動角度的檢測裝置應用于多種行業，尤其在電機轉動角度檢測，工業旋鈕位置檢測以及汽車行業探測汽車方向盤轉動的角度等。但是目前的技術方案仍具有以下缺陷一種情況是如專利CN1090315C中披露了一種檢測一個可轉動多余360度之物體轉角。該方案是通過兩個分別于主齒輪外嚙合的從動齒輪的相對關系與各自的轉動角度來實現 的。計算過程中2個從動齒輪的誤差均被引入參與計算，從性能角度分析轉動角度的精度、分辨率、零點漂移以及非線性的波動會比較嚴重。因為算法復雜，系統的穩定性不但取決于傳感器還依賴于其他數模轉換，單片機累加器等單元的穩定性。除此之外對最終用戶的使用環境于安裝有一定要求，產生錯誤的概率相對較高。第二種情況是通過一種使用光電原理或霍爾原理實現兩個脈沖信號輸出，通過脈沖相位關系得出轉動角度。該重裝置及檢測方法從輸出信號上無法進行零點的標示記錄，每次必須上電恢復工作后由用戶系統重新進行零點辨識。此外其檢測裝置的分辨率取決于單個脈沖周期對應的轉動角度，脈沖的個數需要在360度范圍內均勻分布，每個脈沖對應的孔或齒在360度范圍內的機械分布是有限的，安裝環境狹小，尺寸有限，因此該檢測裝置的最高分辨率只能達到0. 5度。當轉動角度小于分辨率時，無有效角度輸出，且轉動方向是由兩個脈沖的先后順序決定的，因此轉動方向無法識別。該類角度檢測裝置還易造成脈沖丟失的現象，使得最終無正確的轉動角度輸出。

發明內容
本發明的目的在于提供一種絕對式多圈轉動角度的檢測裝置及方法，可以有效提高多圈角度檢測的分辨率，使得輸出的角度信號直接為絕對角度，且計算角度的算法簡單，提高輸出角度的可靠性和穩定性。為解決上述問題，本發明涉及一種絕對式多圈轉動角度的檢測裝置，包括殼體、蓋板、旋轉軸，旋轉軸置于殼體中，旋轉軸上固定有主齒輪，主齒輪與旋轉軸之間無相對旋轉與軸向運動，從動齒輪包括從動大齒輪和從動小齒輪，主齒輪與從動大齒輪外嚙合，從動大齒輪的齒數少于主齒輪，因此從動大齒輪的角度經放大提高了檢測裝置的分辨率，減小整個檢測裝置的尺寸。從動齒輪上設有使旋轉軸多圈轉動減速到圈數齒輪且圈數齒輪只旋轉一圈的二級減速裝置，將轉動速度分兩步進行減速。在從動齒輪和圈數齒輪上均設有軸承，軸承內均固定有磁鐵，兩磁鐵分別與從動齒輪和圈數齒輪相對固定，軸承上邊緣與PCB板相貼合，固定于PCB板上的角度感應芯片位于磁鐵上方,角度感應芯片與磁鐵上表面相隔固定距離。當磁鐵旋轉時，其表面上方的磁場方向也隨之旋轉。位于磁鐵上方的角度感應芯片感應到磁場方向的變化，輸出磁場方向變化的角度值。該角度值即為磁鐵轉動的角度值，同時該角度值即為齒輪轉動的角度。此種角度感應芯片可以是磁阻式、霍爾式。根據角度感應芯片檢測所得的從動齒輪和圈數齒輪轉動的角度，經系統運算輸出需檢測的旋轉軸旋轉過的絕對角度。蓋板固定于殼體上，殼體與蓋板配合固定PCB板位置。一方面由于PCB板對齒輪的壓緊，另一方面因殼體對齒輪的支撐，因此有效地保證了從動齒輪、圈數齒輪、傳動齒輪的相對位置固定不變，有助于提高檢測精度。優選地，二級減速裝置可以包括中間過渡齒輪和圈數齒輪，中間過渡齒輪包括中間過渡大齒輪和中間過渡小齒輪，中間過渡大齒輪于從動小齒輪外嚙合，中間過渡小齒輪與圈數齒輪外嚙合。優選地，二級減速裝置可以包括齒輪齒條和圈數齒輪，齒輪齒條包含上下兩層齒輪，分別為大齒輪和小齒輪，其中大齒輪與從動小齒輪外嚙合，小齒輪與圈數齒輪外嚙合。優選地,二級減速裝置即為圈數齒輪,從動小齒輪與圈數齒輪內嚙合。
優選地，殼體上設有軸承套，主齒輪、從動齒輪、中間過度齒輪、圈數齒輪均固定于軸承套中。殼體內設有肋板，蓋板上也設有肋板。蓋板固定于殼體上且設有肋板一面朝向殼體內部。PCB板在殼體中受到殼體內肋板與蓋板上肋板兩面夾緊，以保證其與從動齒輪與圈數齒輪的軸承上邊緣相貼合，從而保證固定于PCB板上的角度感應芯片與軸承內磁鐵上表面相隔固定距離。優選地，主齒輪上還設有階梯結構，該階梯結構在主齒輪與檢測裝置殼體裝配時與殼體接觸，在主齒輪與殼體間架起一定高度，避免主齒輪在旋轉過程中與殼體產生摩擦。優選地，磁鐵的沖磁方向為徑向，僅有一對N/S磁極,磁鐵軸向末端為凸臺結構。該結構在不影響內部磁力線分布的情況下，使磁鐵不會在從動齒輪和圈數齒輪內發生軸向攢動和旋轉竄動，位置固定。優選地,角度感應芯片與磁鐵上表面相隔的固定距離在0. 2mm至3mm之間。該固定距離過小則所處位置磁場過強，固定距離過大則所處位置磁場強度過低，可能導致角度感應芯片無法工作。優選地，角度感應芯片輸出的角度范圍為0度到360度。本發明還涉及一種絕對式多圈轉動角度的檢測方法，包括下述步驟確定檢測裝置中的定值，其中主齒輪數為Zl,其中主齒輪數為Zl,從動小齒輪齒數為Z21,從動大齒輪齒數為Z22,中間小齒輪齒數為Z31,中間大齒輪齒數為Z32,圈數齒輪齒數為Z34;根據以上定值，確定主齒輪與從動齒輪的傳動比為m=Zl/Z22，從動齒輪與中間齒輪的傳動比為n = Z32/Z21*Z34/Z31，滿量程A= (n/m) *2 Ji ;進行標定，指定零點位置，讀取標定時角度感應芯片的輸出角度Angle_AlphaO和Cycle_phiO，并進行存儲記錄；通過設置在從動齒輪上和圈數齒輪上的角度感應芯片，分別檢測從動齒輪和圈數齒輪的轉動角度，讀取相應芯片輸出的原始角度信號后，進行補償，即將讀取的原始角度信號分別減去存儲標定時記錄的Angle_AlphaO和Cycle_phiO ;補償后相應地輸出轉動角度信號為Angle_Alpha和Cycle_phi ;根據公式計算從動齒輪32轉動圈數i, i=f Ioor (Cycle_phi/Cyclestep),其中CycleSt印=2 /n, imax=A/2 * (n_l);根據角度感應芯片輸出的轉動角度信號Angle_Alpha與從動齒輪轉動圈數i，計算主齒輪轉動角度0 =Angle_Alpha/m+i *
到量程A的角度輸出轉化為-A/2到+A/2的角度0輸出。優選地，該方法還包括對于計算所得的主齒輪轉動角度進行校驗的步驟，該校驗步驟主要包括給定容差范圍△ 0 ;根據圈數齒輪上角度感應芯片輸出的轉動角度信號Cycle_phi,計算主齒輪轉動角度0 ’ =Cycle_Phi * n/m,用0 ’來檢驗0的可信程度；計算e與e ’的差值的絕對值Ai，Ai = abs(0 ’ - 0)。判斷Ai是否比給定的容差范圍A 0小；若Ai比A 0小，輸出轉動角度0，否則計算i+1對應的轉動角度 0 (i+1), 0 (i+1) =Angle Alpha/m+(i+1) *2 n /m;計算 0 (i+1)與 0 ’ 的差值的絕對值A (i+1), A (i+1) =abs ( 0 ’ - 0 (i+1))，判斷A (i+1)是否比給定的容差范圍A 9小，若a (i+1)比a e小，輸出轉動角度e，否則計算i-1對應的轉動角度0 (i-1),0 (i-l)=Angle_Alpha/m+(i-l)*2 31/m ;計算 0 (i-1)與 0’ 的差值的絕對值 A (i_l)，A (i-l)=abs(0，- 0 (i-1))，判斷A (i-1)是否比給定的容差范圍A 0小，若A (i-1)比A 9小，輸出轉動角度e，否則系統故障無法輸出正確轉動角度e。該校驗步驟具有防錯能力，感應元件或數據處理過程中發生錯誤時，停止角度輸出，提高了整個系統的安全性。與現有技術相比，本發明的優點是(I)本發明提出了一種高精度和高分辨率的絕對式多圈轉動角度的檢測裝置及方 法，應用該裝置及方法，檢測所得的轉動角度分辨率可達到0. 007度，且該最終輸出的角度精度僅依賴于從動齒輪的精度。隨著分辨率與精度的提高，裝置的非線性與重復上電時零點的重復性均大幅度提高。(2)本發明提出的一種絕對式多圈轉動角度的檢測裝置及方法，在斷電時轉動的角度值不需要存儲，重新上電后輸出的仍然是當前的絕對轉動角度，便于用戶使用。(3)本發明提出的一種絕對式多圈轉動角度的檢測裝置及方法，算法簡單，同時具有防錯能力，提聞了穩定性。


結合以下附圖，具體說明本發明的技術方案圖I顯示了本發明實施例I殼體內部的正面結構圖；圖2顯示了本發明實施例I殼體內部的背面結構圖；圖3顯示了本發明實施例I殼體結構圖；圖4顯示了本發明實施例I結構示意圖；圖5顯示了絕對式多圈轉動角度的計算方法示意圖；圖6顯示了轉動角度標定的原理示意圖；圖7顯示了本發明實施例2殼體內部的結構示意圖；圖8顯示了本發明實施例3殼體內部的結構示意具體實施例方式實施例I如圖I、圖2、圖3、圖4所示，本發明所涉及的一種絕對式多圈轉動角度的檢測裝置，包括殼體I、蓋板2、旋轉軸3，旋轉軸3置于殼體I內，旋轉軸3上固定有主齒輪4，主齒輪4上還設有階梯結構41，主齒輪4與齒數比其小的從動齒輪5嚙合，從動齒輪5包括從動大齒輪51和從動小齒輪52，主齒輪4與從動大齒輪51外嚙合，從動齒輪5上連接有二級減速裝置，該二級減速裝置包括圈數齒輪61和中間過渡齒輪62,中間過渡齒輪62包括中間過渡大齒輪621和中間過渡小齒輪622，中間過渡大齒輪621與從動小齒輪52外嚙合，從動小齒輪52齒數小于中間過渡大齒輪621齒數，將轉動速度進行第一步減速。中間過渡小齒輪622與圈數齒輪61外嚙合，中間過渡小齒輪622齒數小于圈數齒輪61齒數，將轉動速度進行第二步減速。旋轉軸3多圈轉動減速到圈數齒輪61，且圈數齒輪61只旋轉一圈。在從動齒輪5和圈數齒輪61上均設有軸承8，在軸承8內均設有磁鐵9。磁鐵9的沖磁方向為徑向，僅有一對N/S磁極,磁鐵9軸向末端為凸臺結構。兩磁鐵9分別與從動齒輪5和圈數齒輪61相對固定，固定于PCB板10上的角度感應芯片7位于磁鐵9上方，角度感應芯片7輸出的角度范圍在0度到360度之間。角度感應芯片7與磁鐵9上表面相隔固定距離，該固定距離在0. 2mm至3mm之間。當磁鐵9旋轉時,其表面上方的磁場方向也隨之旋轉。位于磁鐵9上方的角度感應芯片7感應到磁場方向的變化，輸出磁場方向變化的角度值。該角度值即為磁鐵轉動的角度值，同時該角度即為從動齒輪5和圈數齒輪61轉動的角度。殼體I內設有軸承套11，主齒輪4、從動齒輪5、中間過度齒輪62、圈數齒輪61均固定于軸承套11中。殼體I內設有肋板，蓋板2上也設有肋板。蓋板2固定于殼體I上且設有肋板一面朝向殼體I內部。PCB板10在殼體I內受到殼體內肋板與蓋板上肋板兩面夾緊，以保證其與從動齒輪5與圈數齒輪61的軸承上邊緣相貼合，從而保證固定于PCB板10上的角度 感應芯片7與軸承內磁鐵9上表面相隔固定距離。如圖5、圖6所示，本發明所應用于一種絕對式多圈轉動角度的檢測方法，包括以下步驟確定檢測裝置中的定值，其中主齒輪數為Zl,其中主齒輪數為Zl,從動小齒輪齒數為Z21,從動大齒輪齒數為Z22,中間小齒輪齒數為Z31,中間大齒輪齒數為Z32,圈數齒輪齒數為Z34;根據以上定值，確定主齒輪與從動齒輪的傳動比為m=Zl/Z22，從動齒輪與中間齒輪的傳動比為n=Z32/Z21*Z34/Z31，滿量程A= (n/m)*2 ;進行標定，指定零點位置，讀取標定時角度感應芯片的輸出角度Angle_AlphaO和Cycle_phiO，并進行存儲記錄；通過設置在從動齒輪上和圈數齒輪上的角度感應芯片，分別檢測從動齒輪和圈數齒輪的轉動角度，讀取相應芯片輸出的原始角度信號后，進行補償，即將讀取的原始角度信號分別減去存儲標定時記錄的Angle_AlphaO和CyCle_phiO ;補償后相應地輸出從動齒輪和圈數齒輪的轉動角度信號為Angle_Alpha和Cycle_phi ;根據公式計算從動齒輪32轉動圈數i, i=floor (Cycle_phi/Cyclestep),其中 CycleStep=2 n/n ;根據圈數齒輪上角度感應芯片輸出的轉動角度信號Cycle_phi，計算主齒輪轉動角度0 ’ =Cycle_Phi*n/m ;根據角度感應芯片輸出的轉動角度信號Angle_Alpha與從動齒輪轉動圈數i，計算主齒輪轉動角度0 =Angle_Alpha/m+i*2 /m ;用0 ’來檢驗0的可信程度，給定容差范圍A 0 ,計算0與0 ’的差值的絕對值A i，A i=abs( 0 ’ - 0 )，判斷A i是否比給定的容差范圍A 0??；若Ai比A 0小，輸出轉動角度9，否則計算i+1對應的轉動角度0 (i+1), 9 (i+l)=Angle_Alpha/m+(i+1) *2 /m;計算 0 (i+1)與 0 ’的差值的絕對值 A (i+1), A (i+1) =abs ( 0 ’ -
0(i+1))，判斷A (i+1)是否比給定的容差范圍A 0小，若A (i+1) t匕A 0小，輸出轉動角度 9，否則計算 i-1 對應的轉動角度 9 (i-1)，9 (i-l)=Angle_Alpha/m+(i-l)*2 n /m ；if算 0 (i-1)與 0，的差值的絕對值 A (i-1), A (i-l)=abs( 0，- 0 (i-1))，判斷 A (i-1)是否比給定的容差范圍A 0小，若A (i-1)比A 0小，輸出轉動角度0，否則系統故障無法輸出正確轉動角度9。最終輸出的絕對角度將由0到量程A的角度輸出轉化為-A/2到+A/2的角度0輸出。
實施例2如圖7所示，與實施例I不同的是，本發明所涉及的一種絕對式多圈轉動角度的檢測裝置的二級減速裝置6包括圈數齒輪61和齒輪齒條63，齒輪齒條63包含上下兩層齒輪，分別為大齒輪631和小齒輪632，其中大齒輪631與從動小齒輪52外嚙合，從動小齒輪52齒數小于大齒輪631齒數，將轉動速度進行第一步減速。小齒輪632與圈數齒輪61外嚙合，小齒輪632齒數小于圈數齒輪61齒數，將轉動速度進行第二步減速。旋轉軸多圈轉動減速到圈數齒輪61且圈數齒輪61只旋轉一圈。實施例3如圖8所示，與實施例I不同的是本發明所涉及的一種絕對式多圈轉動角度的檢測裝置的二級減速裝置6為圈數齒輪61,從動小齒輪52與圈數齒輪61內嚙合。從動小齒 輪52齒數小于圈數齒輪61齒數。旋轉軸多圈轉動減速到圈數齒輪61，且圈數齒輪61只旋
轉一圈。
權利要求
1.一種絕對式多圈轉動角度的檢測裝置，包括殼體，蓋板，旋轉軸，旋轉軸置于殼體內，其特征在于旋轉軸上固定有主齒輪，主齒輪與齒數比其小的從動齒輪嚙合，從動齒輪包括從動大齒輪和從動小齒輪，主齒輪與從動大齒輪外嚙合，從動齒輪上連接有使旋轉軸多圈轉動減速到圈數齒輪且圈數齒輪只旋轉一圈的二級減速裝置，在從動齒輪和圈數齒輪上均設有軸承，軸承內均設有磁鐵，兩磁鐵分別與從動齒輪和圈數齒輪相對固定，軸承上邊緣與PCB板相貼合，固定于PCB板上的角度感應芯片位于磁鐵上方，角度感應芯片與磁鐵上表面相隔固定距離，蓋板固定于殼體上，殼體與蓋板配合固定PCB板位置。
2.根據權利要求I所述的一種絕對式多圈轉動角度的檢測裝置，其特征在于所述的二級減速裝置包括中間過渡齒輪和圈數齒輪，中間過渡齒輪包括中間過渡大齒輪和中間過渡小齒輪，中間過渡大齒輪與從動小齒輪外嚙合，中間過渡小齒輪與圈數齒輪外嚙合。
3.根據權利要求I所述的一種絕對式多圈轉動角度的檢測裝置，其特征在于所述的二級減速裝置為齒輪齒條和圈數齒輪，齒輪齒條包含上下兩層齒輪，分別為大齒輪和小齒輪，其中大齒輪與從動小齒輪外嚙合，小齒輪與圈數齒輪外嚙合。、
4.根據權利要求I所述的一種絕對式多圈轉動角度的檢測裝置，其特征在于所述的二級減速裝置為圈數齒輪，從動小齒輪與圈數齒輪內嚙合。
5.根據權利要求I或2所述的一種絕對式多圈轉動角度的檢測裝置，其特征在于所述的殼體內設有軸承套，主齒輪、從動齒輪、中間過度齒輪、圈數齒輪均固定于軸承套中，殼體內設有肋板，蓋板上也設有肋板，蓋板設有肋板一面朝向殼體內部。
6.根據權利要求I所述的一種絕對式多圈轉動角度的檢測裝置，其特征在于所述的主齒輪上還設有階梯結構。
7.根據權利要求I所述的一種絕對式多圈轉動角度的檢測裝置，其特征在于所述磁鐵的沖磁方向為徑向，僅有一對N/S磁極,磁鐵軸向末端為凸臺結構。
8.根據權利要求I所述的一種絕對式多圈轉動角度的檢測裝置，其特征在于所述的角度感應芯片與磁鐵上表面相隔的固定距離在0. 2mm至3mm之間。
9.根據權利要求I所述的一種絕對式多圈轉動角度的檢測裝置，其特征在于所述的角度感應芯片輸出的角度范圍為0度-360度。
10.一種絕對式多圈轉動角度的檢測方法，特別是待檢測的實際轉動的角度對象超過360度，其特征在于包括下述步驟 (1)確定檢測裝置中的定值，其中主齒輪數為Zl,從動小齒輪齒數為Z21,從動大齒輪齒數為Z22,中間小齒輪齒數為Z31,中間大齒輪齒數為Z32,圈數齒輪齒數為Z34 ； (2)根據以上定值，確定主齒輪與從動齒輪的傳動比為m=Zl/Z22，從動齒輪與中間齒輪的傳動比為 n = Z32/Z21*Z34/Z31，滿量程 A= (n/m)*2 ； (3)進行標定，指定零點位置，讀取標定時角度感應芯片的輸出角度Angle_AlphaO和Cycle_phiO,并進行存儲記錄； (4)通過設置在從動齒輪上和圈數齒輪上的角度感應芯片，分別檢測從動齒輪和圈數齒輪的轉動角度，讀取相應芯片輸出的原始角度信號后，進行補償，即將讀取的原始角度信號分別減去存儲標定時記錄的Angle_AlphaO和Cycle_phiO ;補償后相應地輸出轉動角度信號為 Angle_Alpha 和 Cycle_phi ； (5)根據以下公式計算從動齒輪32轉動圈數i,i=fIoor (Cycle_phi/Cyclestep),其中CycleStep=2 /n, imax=A/2 * (n_l)； (6)根據角度感應芯片輸出的轉動角度信號Angle_Alpha與從動齒輪轉動圈數i，計算主齒輪轉動角度 9 =AngI e_AIpha/m+ i * 2 n /m ； (7)將由O到量程A的角度輸出轉化為-A/2到+A/2的角度0輸出。
11.根據權利要求I所述的絕對式多圈轉動角度的檢測方法，其特征在于還包括對于計算所得的主齒輪轉動角度進行校驗的步驟，其特征在于該校驗步驟主要包括 (1)給定容差范圍A0 ； (2)根據圈數齒輪上角度感應芯片輸出的轉動角度信號Cycle_phi，計算主齒輪轉動角度0 ’ =Cycle_Phi * n/m，用0 ’來檢驗0的可信程度； (3)計算0與0’的差值的絕對值Ai，Ai = abs(0 ’ - 0)。判斷Ai是否比給定的容差范圍A 0?。蝗鬉i比A 0小，輸出轉動角度0，否則計算i+1對應的轉動角度 0 (i+1), 0 (i+l)=Angle_Alpha/m+(i+l)*2 /m;計算 Q (i+1)與 Q ’ 的差值的絕對值A (i+1), A (i+1) =abs ( 0 ’ - 0 (i+1))，判斷A (i+1)是否比給定的容差范圍A 9小，若a (i+1)比a e小，輸出轉動角度e，否則計算i-1對應的轉動角度0 (i-1),0(i-l)=Angle_Alpha/m+(i-l)*2 31/m ;計算 0 (i-1)與 0’ 的差值的絕對值 A (i_l)，A (i-l)=abs(0 ’ - 0 (i-1))，判斷A (i-1)是否比給定的容差范圍A 0小，若A (i-1)比A0小，輸出轉動角度e，否則系統故障無法輸出正確轉動角度e。
全文摘要
本發明提供一種絕對式多圈轉動角度的檢測裝置及方法，包括殼體，蓋板，旋轉軸，旋轉軸置于殼體內，旋轉軸上固定有主齒輪，主齒輪與齒數比其小的從動齒輪嚙合，從動齒輪包括從動大齒輪和從動小齒輪，主齒輪與從動大齒輪外嚙合，從動齒輪上連接有使旋轉軸多圈轉動減速到圈數齒輪且圈數齒輪只旋轉一圈的二級減速裝置，在從動齒輪和圈數齒輪上均設有軸承，軸承內均設有磁鐵，兩磁鐵分別與從動齒輪和圈數齒輪相對固定，軸承上邊緣與PCB板相貼合，固定于PCB板上的角度感應芯片位于磁鐵上方，角度感應芯片與磁鐵上表面相隔固定距離，蓋板固定于殼體上，殼體與蓋板配合固定PCB板位置。該裝置及方法檢測所得的轉動角度分辨率高,且算法簡單,防錯能力強。
文檔編號G01B7/30GK102749026SQ20121023806
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月10日 優先權日2012年7月10日
發明者任志遠, 吳鎖平, 周良杰, 毛靖, 湯江平, 蔡旭東, 陳箭, 陶瀟 申請人:萬向錢潮(上海)汽車系統有限公司, 萬向集團公司