RU2436037C1 - Absolute angle transducer - Google Patents
Absolute angle transducer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2436037C1 RU2436037C1 RU2010138041/28A RU2010138041A RU2436037C1 RU 2436037 C1 RU2436037 C1 RU 2436037C1 RU 2010138041/28 A RU2010138041/28 A RU 2010138041/28A RU 2010138041 A RU2010138041 A RU 2010138041A RU 2436037 C1 RU2436037 C1 RU 2436037C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic
- elements
- bridge
- tracks
- magnetic elements
- Prior art date
Links
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 claims description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 6
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000005405 multipole Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного определения положения вала электродвигателя.The invention relates to measuring equipment and can be used for contactless determination of the position of the motor shaft.
Известны датчики фирмы Honeywell, в которых в качестве считывающего устройства используются магниторезистивные чувствительные элементы типа НМС 1501 и НМС 1512 (application note AN 211, Honeywell, Solid State Electronics Center, www.magneticsensor.com).Known Honeywell sensors, in which magnetoresistive sensitive elements such as HMC 1501 and HMC 1512 (application note AN 211, Honeywell, Solid State Electronics Center, www.magneticsensor.com) are used as a reader.
Недостатками таких датчиков являются сложность схемы обработки сигнала и необходимость использования датчика Холла, обладающего низкой радиационной стойкостью.The disadvantages of such sensors are the complexity of the signal processing circuit and the need to use a Hall sensor with low radiation resistance.
Известны абсолютные энкодеры фирмы SICK серии ARS 60 и ATM 60 ATM 90 (www.stegmann.com), в которых используется кодирующий диск в сочетании с оптической и магниторезистивной технологиями и технологией зубчатых передач. Информация с кодирующего диска легко преобразуется в цифровую форму, но устройство такого энкодера достаточно сложное, содержит большое количество трущихся деталей, имеет ограниченный температурный диапазон и число оборотов, а чувствительные элементы - фототранзисторы и датчики Холла - не имеют радиационной стойкости.Absolute encoders of the SICK series ARS 60 and ATM 60 ATM 90 (www.stegmann.com) are known, which use a coding disk in combination with optical and magnetoresistive technologies and gear technology. Information from the coding disk is easily converted to digital form, but the device of such an encoder is quite complex, contains a large number of rubbing parts, has a limited temperature range and speed, and the sensitive elements - phototransistors and Hall sensors - do not have radiation resistance.
Известен также бесконтактный программируемый датчик абсолютного углового положения в 360°, описанный в патенте РФ №2312363 С1 от 31.01.2006, взятый нами за прототип. Датчик состоит из двух механически не взаимосвязанных и изолированных друг от друга частей с постоянным воздушным зазором в пространстве между ними, одной частью является роторный узел, другая часть представляет собой статор - совокупность неподвижных механических и электронных частей, представляющих через контактный интерфейс информацию об угловом положении ротора с магнитом. Информация обрабатывается с использованием функции арктангенса сигналов интегрированного крестообразного массива планарных элементов Холла, чувствительных к градиенту компонентов рабочего магнитного поля.Also known is a non-contact programmable sensor of absolute angular position of 360 °, described in RF patent No. 2312363 C1 of January 31, 2006, which we took as a prototype. The sensor consists of two parts that are not mechanically interconnected and isolated from each other with a constant air gap in the space between them, one part is a rotor assembly, the other part is a stator - a set of stationary mechanical and electronic parts that represent information about the rotor angular position through the contact interface with a magnet. The information is processed using the arctangent function of the signals of the integrated cruciform array of planar Hall elements that are sensitive to the gradient of the components of the working magnetic field.
Недостатками таких датчиков, использующих в качестве чувствительного элемента (считывающего устройства) датчики Холла, являются низкая чувствительность к магнитному полю, высокая чувствительность к температурным воздействиям, низкая радиационная стойкость и сложность схемы обработки сигнала, связанная с переводом аналогового сигнала в цифровую форму.The disadvantages of such sensors, which use Hall sensors as a sensitive element (reader), are low sensitivity to the magnetic field, high sensitivity to thermal influences, low radiation resistance and the complexity of the signal processing circuit associated with the conversion of the analog signal to digital form.
Техническим результатом изобретения является создание радиационностойкого абсолютного датчика угла поворота, обладающего помехозащищенностью, повышенной чувствительностью и более простой схемой обработки сигнала.The technical result of the invention is the creation of a radiation-resistant absolute angle sensor with noise immunity, increased sensitivity and a simpler signal processing circuit.
Указанный технический результат достигается тем, что в абсолютном датчике угла поворота, включающем магнитную систему, связанную с вращающимся валом, считывающее устройство, содержащее чувствительные элементы и схему обработки сигнала, установленное с зазором относительно магнитной системы, магнитная система выполнена в виде кодирующего магнитного диска, содержащего концентрично расположенные дорожки с магнитными элементами, которые смонтированы в соответствии с кодом Грея, причем одна часть магнитных элементов сдвинута к наружной половине, а другая - к внутренней половине дорожек, а чувствительные элементы представляют линейку из магниторезистивных чувствительных элементов (МРЧЭ), которые выполнены в виде мостов Уинстона с коллинеарно расположенными магниторезистивными полосками с осью легкого намагничивания вдоль их длинной стороны, причем плечи моста пространственно разнесены так, что два противолежащих плеча моста противостоят магнитным элементам наружной половины дорожки, а два других противолежащих плеча - магнитным элементам внутренней половины дорожки.The specified technical result is achieved by the fact that in the absolute sensor of the angle of rotation, including a magnetic system associated with a rotating shaft, a reader containing sensing elements and a signal processing circuit installed with a gap relative to the magnetic system, the magnetic system is made in the form of an encoding magnetic disk containing concentric tracks with magnetic elements that are mounted in accordance with the Gray code, with one part of the magnetic elements shifted to the outside half, and the other to the inner half of the tracks, and the sensitive elements represent a line of magnetoresistive sensitive elements (MRE), which are made in the form of Winston bridges with collinear magnetoresistive strips with the axis of easy magnetization along their long side, and the shoulders of the bridge are spatially spaced so that two opposing shoulders of the bridge are opposed to the magnetic elements of the outer half of the track, and two other opposing shoulders are opposed to the magnetic elements of the inner half of the track and.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в абсолютном датчике угла поворота формируется разнополюсный выходной сигнал вследствие пространственного разнесения плеч моста Уинстона и раздельного воздействия на них полями магнитных элементов в строго определенной последовательности (код Грея). Эта последовательность обеспечивается воздействием кодирующего магнитного диска либо на одну половину моста Уинстона (активная единица), либо на вторую - (активный нуль) независимо от знака магнитного поля, но в направлении, перпендикулярном ОЛН и протекающему сенсорному току, что обеспечивает максимальное изменение значения сопротивления в двух плечах моста Уинстона (анизотропный магниторезистивный эффект (AMP эффект).The essence of the proposed technical solution lies in the fact that a multipole output signal is generated in the absolute angle sensor due to the spatial separation of the shoulders of the Winston bridge and the separate exposure of the fields of magnetic elements to them in a strictly defined sequence (Gray code). This sequence is ensured by the action of the coding magnetic disk either on one half of the Winston bridge (active unit) or on the second - (active zero) regardless of the sign of the magnetic field, but in the direction perpendicular to the OLR and the flowing sensor current, which ensures the maximum change in the resistance value in two shoulders of the Winston bridge (anisotropic magnetoresistive effect (AMP effect).
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг. 1 представлены фрагменты кодирующих дисков 1а - оптического, используемого в аналогах и 1б - магнитного диска с кодом Грея, где:In FIG. 1 shows fragments of coding disks 1a - optical, used in analogues and 1b - magnetic disk with a Gray code, where:
1 - дорожки, расположенные концентрично относительно центра диска;1 - tracks located concentrically relative to the center of the disk;
2 - наружная половина дорожки магнитного кодирующего диска;2 - the outer half of the track magnetic coding disk;
3 - внутренняя половина дорожки магнитного кодирующего диска;3 - the inner half of the track magnetic coding disk;
4 - магнитные элементы.4 - magnetic elements.
На фиг. 2 показана топология моста Уинстона по известной схеме соединения его плеч (фиг.2а) и предлагаемая схема соединений (фиг.2б), где:In FIG. 2 shows the topology of the Winston bridge according to the known connection diagram of its shoulders (figa) and the proposed connection diagram (fig.2b), where:
5 - плечо моста Уинстона (выделено);5 - shoulder of the Winston bridge (highlighted);
6 - магниторезистивные полоски, из которых формируются плечи моста Уинстона;6 - magnetoresistive strips from which the shoulders of the Winston bridge are formed;
a, b, c, d - условное обозначение плеч моста Уинстона;a, b, c, d - symbol of the shoulders of the Winston bridge;
ОЛН - ось легкого намагничивания.OLN is the axis of easy magnetization.
На фиг. 3 показано взаимное положение МРЧЭ и кодирующего магнитного диска, где на фиг.3а показана линейка из 8 МРЧЭ, а на фиг.3б - выходной сигнал.In FIG. Figure 3 shows the relative position of the MRE and the coding magnetic disk, where Fig. 3a shows a ruler of 8 MRE, and Fig. 3b shows the output signal.
2 - наружная половина дорожки магнитного кодирующего диска;2 - the outer half of the track magnetic coding disk;
3 - внутренняя половина дорожки магнитного кодирующего диска;3 - the inner half of the track magnetic coding disk;
4 - магнитные элементы;4 - magnetic elements;
7 - линейка из восьми МРЧЭ.7 - a line of eight MRE.
Каждая дорожка 1 разделена пополам на наружную 2 и внутреннюю 3 части и снабжена 4 так, что темной части оптического диска соответствуют магнитные элементы 4, смонтированные на наружной половине дорожек, а светлой части оптического диска - магнитные элементы 4, смонтированные на внутренней половине дорожек.Each
Абсолютный датчик угла поворота содержит смонтированный на вращающемся валу кодирующий магнитный диск фиг.1б, с восемью дорожками 1, расположенными концентрично относительно центра диска (количество дорожек может быть и другим, что определяется требованиями к точности определения угла поворота и размерами диска). Каждая дорожка 1 разделена пополам на наружную 2 и внутреннюю 3 части и снабжена магнитными элементами 4 так, что темной части оптического диска фиг.1а соответствуют магнитные элементы 4 фиг.1б, смонтированные на наружной части дорожек, а светлой части оптического диска фиг.1a - магнитные элементы 4 фиг.1б, смонтированные на внутренней половине дорожек.The absolute sensor of the rotation angle contains a coding magnetic disk of Fig. 1b mounted on a rotating shaft, with eight
В качестве магниторезистивного чувствительного элемента используется мост Уинстона (фиг.2), состоящий из четырех плеч 5 с магниторезистивными полосками 6, объединенными в меандр. ОЛН индуцируется магнитным полем при напылении магниторезистивной пленки и направлена вдоль полосок 6. Все полоски коллинеарны друг другу.As a magnetoresistive sensitive element, the Winston bridge (Fig. 2) is used, consisting of four
Топология моста Уинстона такова, что противоположные по электрической схеме плечи моста Уинстона попарно расположены рядом и пространственно разнесены так, что два плеча моста Уинстона противостоят магнитным элементам 4 наружной половины 7 дорожки, а два других - внутренней половины 8 дорожки (фиг.3а).The topology of the Winston bridge is such that the shoulders of the Winston bridge, opposite in the electric circuit, are arranged in pairs adjacent and spatially spaced so that the two shoulders of the Winston bridge stand against the
На фиг. 3а показана линейка 9 из восьми магниторезистивных чувствительных элементов, расположенная над кодирующим магнитным диском, а на фигуре 3б - выходной сигнал для данного положения линейки относительно кодирующего магнитного диска.In FIG. 3a shows a ruler 9 of eight magnetoresistive sensitive elements located above the coding magnetic disk, and in figure 3b, the output signal for a given position of the ruler relative to the coding magnetic disk.
Работа абсолютного датчика угла поворота происходит следующим образом.The operation of the absolute angle sensor is as follows.
При подаче питания при неподвижном кодирующем магнитном диске магнитные элементы воздействуют на одну (ас) либо на другую (bd) половину мостов Уинстона (фиг.2б), вследствие чего меняется сопротивление, и в диагонали (out) появляются выходные сигналы либо положительного, либо отрицательного значения, как показано на фиг.36, для положения, представленного на фиг.3а. После усиления положительные сигналы идентифицируются с единицей, а отрицательные - с нулем. Так, на фиг.3а мы имеем следующий код: 11011010.When power is applied when the coding magnetic disk is stationary, the magnetic elements act on one (ac) or the other (bd) half of the Winston bridges (fig.2b), as a result of which the resistance changes, and output signals of either positive or negative appear in the diagonal (out) values, as shown in Fig. 36, for the position shown in Fig. 3a. After amplification, positive signals are identified with unity, and negative signals with zero. So, in figa we have the following code: 11011010.
Предлагаемый энкодер надежно работает при воздействии магнитного поля с частотой до 400 кГц (например, при вращении вала электродвигателя при скорости ~30000°/с частота срабатывания составит всего 3 кГц).The proposed encoder works reliably when exposed to a magnetic field with a frequency of up to 400 kHz (for example, when the motor shaft rotates at a speed of ~ 30000 ° / s, the response frequency will be only 3 kHz).
Таким образом осуществляется принцип действия абсолютного датчика - определение положения вала не только при его вращении, но и в неподвижном состоянии.Thus, the principle of operation of the absolute sensor is realized - determining the position of the shaft not only during its rotation, but also in a stationary state.
Высокая радиационная стойкость магниторезистивных чувствительных элементов и кодирующего магнитного диска обеспечивается применяемыми для их изготовления материалами.The high radiation resistance of the magnetoresistive sensitive elements and the coding magnetic disk is ensured by the materials used for their manufacture.
Для восьмидорожечного кодирующего магнитного диска мы имеем код из 8 цифр, а выходной сигнал будет содержать 256 разных комбинаций, что будет соответствовать разрешению 1,4°. При вращении эти комбинации будут последовательно изменяться и отображать положение вала с точностью 1,4°. Для повышения точности может быть использован кодирующий магнитный диск с большим числом дорожек, что обеспечит разрешение менее 1°.For an eight-track coding magnetic disk, we have a code of 8 digits, and the output signal will contain 256 different combinations, which will correspond to a resolution of 1.4 °. During rotation, these combinations will sequentially change and display the shaft position with an accuracy of 1.4 °. To increase accuracy, a coding magnetic disk with a large number of tracks can be used, which will provide a resolution of less than 1 °.
В связи с малыми размерами моста при одновременном воздействии «протяженной» электромагнитной помехи на все плечи моста, изменение выходного сигнала не происходит. В случае узконаправленной помехи возможно использование МРЧЭ с разной чувствительностью. Для помехи величиной менее 8 мТл могут использоваться магниторезистивные элементы на основе пленок из сплава 83% Ni - 17% Fe, а для помехи до 20 мТл - из сплава 65% Ni - 15% Fe - 20% Со. В этом случае уровень выходного сигнала будет превышать сигнал от помехи, который может быть отфильтрован.Due to the small size of the bridge with the simultaneous exposure to "extended" electromagnetic interference on all the shoulders of the bridge, the output signal does not change. In the case of narrowly targeted interference, it is possible to use an RFE with different sensitivity. For interference of less than 8 mT, magnetoresistive elements based on films made of an alloy of 83% Ni - 17% Fe can be used, and for interference of up to 20 mT - from an alloy of 65% Ni - 15% Fe - 20% Co. In this case, the output signal level will exceed the interference signal, which can be filtered.
Таким образом, предлагаемое решение позволяет создать радиационностойкий абсолютный датчик угла поворота с малыми размерами, с компенсацией электрических и магнитных помех, обеспечивающий получение выходных сигналов, идентифицируемых как с активной единицей, так и с активным нулем.Thus, the proposed solution allows you to create a radiation-resistant absolute sensor of the angle of rotation with small dimensions, with compensation for electrical and magnetic interference, providing output signals that are identifiable with both the active unit and the active zero.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010138041/28A RU2436037C1 (en) | 2010-09-13 | 2010-09-13 | Absolute angle transducer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010138041/28A RU2436037C1 (en) | 2010-09-13 | 2010-09-13 | Absolute angle transducer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2436037C1 true RU2436037C1 (en) | 2011-12-10 |
Family
ID=45405658
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010138041/28A RU2436037C1 (en) | 2010-09-13 | 2010-09-13 | Absolute angle transducer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2436037C1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2567090C1 (en) * | 2014-06-10 | 2015-10-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "3 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации | Sensor to measure parameters of angular shift |
| RU2598690C1 (en) * | 2015-12-04 | 2016-09-27 | Марина Владимировна Медведева | Method for measuring displacements of object |
| RU2645880C1 (en) * | 2017-01-17 | 2018-02-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Absolute optical single-turn angular encoder |
| RU194600U1 (en) * | 2019-03-29 | 2019-12-17 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Пермский военный институт войск национальной гвардии Российской Федерации" | DEVICE DETERMINATION DEVICE FOR MECHANICAL PARTS |
| RU2820033C1 (en) * | 2023-12-11 | 2024-05-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Absolute rotation angle sensor |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5852413A (en) * | 1995-10-13 | 1998-12-22 | Kensington Laboratories, Inc. | Virtual absolute position encoder |
| EP1744128A1 (en) * | 2005-07-14 | 2007-01-17 | Leopold Kostal GmbH & Co. KG | Method for determining the absolute angular position of the steering wheel of a motor vehicle |
| RU2312363C1 (en) * | 2006-01-31 | 2007-12-10 | Курский государственный технический университет КурскГТУ | Contactless programmable pickup of absolute angular position |
| RU91422U1 (en) * | 2009-08-24 | 2010-02-10 | Открытое акционерное общество "Экран" | CONTACTLESS PEDAL SENSOR |
-
2010
- 2010-09-13 RU RU2010138041/28A patent/RU2436037C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5852413A (en) * | 1995-10-13 | 1998-12-22 | Kensington Laboratories, Inc. | Virtual absolute position encoder |
| EP1744128A1 (en) * | 2005-07-14 | 2007-01-17 | Leopold Kostal GmbH & Co. KG | Method for determining the absolute angular position of the steering wheel of a motor vehicle |
| RU2312363C1 (en) * | 2006-01-31 | 2007-12-10 | Курский государственный технический университет КурскГТУ | Contactless programmable pickup of absolute angular position |
| RU91422U1 (en) * | 2009-08-24 | 2010-02-10 | Открытое акционерное общество "Экран" | CONTACTLESS PEDAL SENSOR |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2567090C1 (en) * | 2014-06-10 | 2015-10-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "3 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации | Sensor to measure parameters of angular shift |
| RU2598690C1 (en) * | 2015-12-04 | 2016-09-27 | Марина Владимировна Медведева | Method for measuring displacements of object |
| RU2645880C1 (en) * | 2017-01-17 | 2018-02-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Absolute optical single-turn angular encoder |
| RU194600U1 (en) * | 2019-03-29 | 2019-12-17 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Пермский военный институт войск национальной гвардии Российской Федерации" | DEVICE DETERMINATION DEVICE FOR MECHANICAL PARTS |
| RU2820033C1 (en) * | 2023-12-11 | 2024-05-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Absolute rotation angle sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9222804B2 (en) | System and method for position sensing | |
| JP6236452B2 (en) | Apparatus, method, and sensor for measuring absolute angular position using multipolar magnet | |
| JP5245114B2 (en) | Position detection device | |
| US9207100B2 (en) | Magnetic position sensor with field direction measurement and flux collector | |
| JP6412016B2 (en) | Magnetic absolute rotary encoder | |
| KR101163908B1 (en) | Origin position signal detector | |
| US10281299B2 (en) | Angle sensor, a bearing unit, electrical motor, a control system and error-check system | |
| JP7191567B2 (en) | assembly | |
| KR20120095950A (en) | Bidirectional magnetic position sensor having field rotation | |
| JP7242352B2 (en) | A system for determining at least one rotational parameter of a rotating member | |
| RU2436037C1 (en) | Absolute angle transducer | |
| EP3091339B1 (en) | Nonvolatile rotation sensor with spiral track | |
| JP5200778B2 (en) | Linear motion rotary motor position detection device and linear motion rotary motor | |
| US20160076910A1 (en) | Magnetic position sensor and sensing method | |
| Lee et al. | Applications of linear Hall-effect sensors on angular measurement | |
| JP2009271054A (en) | Position detecting device and rotary linear motion motor with the same | |
| JPH10170212A (en) | Absolute value type magnetic displacement detecting device | |
| CN111198340A (en) | Electric motor | |
| CN203083583U (en) | Absolute-type magnetic-rotation encoder | |
| US20080218159A1 (en) | Sensor System For Determining a Position or a Rotational Speed of an Object | |
| CN111982164A (en) | Multi-track sector positioning off-axis absolute encoder | |
| CN111693910B (en) | System for determining at least one rotation parameter of a rotating component | |
| JP2013257158A (en) | Encoder, code disc, position information detection sensor, driving device, and robot device | |
| CN111693909B (en) | System for determining at least one rotation parameter of a rotating component | |
| Woo | Implementation and evaluation of motion detection module based on hall sensors for the geared motor of automatic gate |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20190514 |