CN101400971A

CN101400971A - 通过差分比较检测绝对角位置的系统、滚动轴承和旋转机械

Info

Publication number: CN101400971A
Application number: CNA2007800082739A
Authority: CN
Inventors: 弗兰克·德布莱利; 塞巴斯蒂亚诺·卡尔维托
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2006-01-06
Filing date: 2007-01-03
Publication date: 2009-04-01
Also published as: US20090219016A1; FR2896036B1; FR2896036A1; EP1969319A2; JP2009522567A; WO2007077389A2; WO2007077389A3

Abstract

一种用于检测旋转元件相对于非旋转元件的角位置的系统，包括：提供有大于或等于2的P个磁极的环形编码器4，其旨在被固定到旋转或非旋转元件之一；以及N个传感器，其中N大于或等于3，其能够接收源自编码器的信号并且有角度分布地安装在面对所述旋转或非旋转元件的另一个非旋转或旋转元件上；以及至少一个减法模块，其能够处理来自传感器的至少两个输出信号，以便生成差分信号。

Description

通过差分比较检测绝对角位置的系统、滚动轴承和旋转机械

技术领域

本发明涉及检测旋转元件相对于非旋转元件的角位置的领域。本发明涉及旋转系统的领域，其中期望确定转子相对于静态元件的绝对角位置。

背景技术

文献JP 2000-241197的摘要描述了具有相互邻近安装的三个传感器的旋转检测设备。

文献JP 8-54205、JP 6-58770和JP 2000-209889的摘要描述了具有三个传感器的旋转检测设备。

文献DE 39 10 498、US 5 198 738和US 6 310 450旨在用于无电刷马达的传感器。

文献FR 2 599 794涉及具有磁信息传感器的滚柱轴承(roller bearing)，该传感器具有有大量磁极(pole)的环面。

文献US 6 288 533描述了用于确定携带创建没有旋转对称性的磁场的磁源的转子的旋转位置的方法。该检测装置包括两个检测器对，每对检测器对基本平行的磁场分量敏感。

这种设备通常结果是复杂的，并且它们生成必须由昂贵的装置处理的信号。提供的信号对气隙的变化敏感。

发明内容

本发明旨在除去上述设备的缺点。

本发明旨在一种简单的检测系统，其几乎对磁信号的幅度变化以及对由于安装的移动或对电压变化不敏感。

一种用于检测旋转元件相对于非旋转元件的角位置的系统，包括：提供有大于或等于2的P个磁极的环形编码器(coder)，其旨在被固定到旋转或非旋转元件之一；以及N个传感器，N是大于或等于3的奇数，其能够接收源自编码器的信号并且有角度(angularly)分布地安装在面对所述旋转或非旋转元件的旋转或非旋转元件的另一个上；以及至少一个减法模块，其能够处理来自传感器的至少两个输出信号，以便生成差分信号。

该系统可以是三传感器或六传感器。编码器可以包括两个磁极。该编码器可以是具有180°磁极的双极。

有利地，N等于3、5或7。

在实施例中，该减法模块包括计算模块，该计算模块能够通过信号的加权差分使得可能生成输出电压Us＝Sum(a_i*U_i)-Sum(b_i*U_i)，其中i从1到N，系数a_i和b_i使得可能基于N项信息重排(recompose)所寻求的角度的正弦和余弦。

在实施例中，该减法模块包括用于数字化信息的模拟项的电路、以及用于计算输出电压的集成电路。

在另一实施例中，该减法模块包括用于计算输出电压的模拟电路。

在实施例中，该系统包括：旨在被固定到旋转元件的双极环形编码器；旨在被固定到面对该编码器的非旋转元件的三个沿圆周规则分布的磁场传感器；以及从每个传感器接收输出信号的减法模块，所述信号代表由传感器测量的磁场，并且发射代表旋转元件相对于非旋转元件的角位置θ的差分信号作为输出。

在实施例中，来自计算模块的输出信号包括旋转元件相对于非旋转元件的角位置θ的正弦信号和余弦信号。然后可以通过反正切型函数计算该角位置。

在实施例中，该减法模块包括作为加法器和/或减法器安装的放大器。

在实施例中，安装第一放大器作为减法器，以便提供第一输出信号，安装第二放大器作为加法器-反相器(inverter)并且安装第三放大器作为加法器，以便提供第二输出信号，该第二放大器的输出链接到该第三放大器的输入。包括各放大器的子组件能够通过模拟电路以经济的方式实现。

在实施例中，该减法模块包括每个传感器一个滤波器、安装在各滤波器的输出的三个放大器、以及安装在各放大器的输出的内插器。该内插器可以是模拟或数字型的。

在实施例中，由B₁、B₂和B₃表示来自各传感器的输出信号，当运行时计算模块提供等于的第一输出信号和等于(B₁-(B₂-B₃)/2)/A的第二输出信号，A是常数。

在实施例中，该减法模块包括内插器，其接收所述角位置的正弦和余弦作为输入，并且提供所述角位置θ作为输出。

在实施例中，各传感器以非周期性的方式分布，以便优化关于由发射环形环(race)发射的形状的误差。

在实施例中，各传感器布置在一个和同一机架中。

在实施例中，该系统包括旋转率机械减速(reduction)齿轮。

在实施例中，该系统包括通过每次旋转递增一个槽口(notch)的机械计数器。

在实施例中，该系统包括在2π/3角扇区上布置的三个传感器、以及双极编码器。

在实施例中，该系统包括在π/3角扇区上布置的三个传感器、以及四极编码器。

在实施例中，该系统包括在4π/9角扇区上布置的三个传感器、以及六极编码器。

在实施例中，该系统包括在π/6角扇区上布置的三个传感器、以及八极编码器。

一种滚柱轴承可以包括：两个环、布置在各环之间的一排滚动元件、以及检测系统，所述系统提供一个环相对于另一个环的角位置。

如电动马达的一种旋转机械可以包括：转子、定子、以及检测系统，所述系统提供转子相对于定子的角位置。

依靠本发明，以对外界扰动几乎不敏感的可靠方式执行位置检测。

附图说明

在研究作为完全非限制的示例进行、和由附图图示的若干实施例的详细描述后，将更好地理解本发明，附图中：

图1是检测系统的横截面的示意图；

图2是由传感器看到的、作为角度的函数的磁场的演化曲线；

图3是电子处理电路的示意图；

图4是电动马达的轴向截面的示意图；

图5是轴承的横截面的示意图；

图6从检测组件的上方的示意图；

图7是从图6的组件的旋转计数系统的上方的视图；

图8是沿着图7的VIII-VIII截面的视图；

图9是电子处理电路的示意图；

图10是从检测系统的上方的示意图；

图11是从检测系统的上方的示意图；

图12是图11的检测系统的截面的示意图；

图13是从检测系统的上方的示意图；

图14是图13的检测系统的截面的示意图；

图15是检测系统的截面的示意图；

图16是检测系统的示意图；

图17是从检测系统的上方的示意图。

具体实施方式

如通过图1的示例所示，检测系统包括三个磁场传感器1、2、3，例如围绕编码器环面4规则地圆周分布的霍尔效应探测器。编码器环面4包括占据180°的角扇区的北磁极和占据180°的角扇区的南磁极，并且能够相对于传感器1到3旋转。在相对于正弦信号失真的磁信号(例如三角磁信号)的情况下获得的精度可以是1.2°。为了0.3°的精度可以采用五个传感器。N＝7提供更好的精度。在N＝4的情况下，精度只是大约4°。用N＝5获得的精度大于用N＝8所获得的。奇数个传感器允许更好的信号重排，尤其通过改进的谐波、特别是由于趋于变得更三角的信号的失真的谐波的抑制。

编码器环面可以通过磁化磁合金或塑性铁素体(plasto-ferrite)或弹性铁素体(elasto-ferrite)制作。磁场

展现到外部扰动内的恒定模量B_max，并且磁场的取向依赖于编码器4的取向。传感器1检测值B_max cosθ的场，θ是传感器1相对于编码器4的旋转的中心的角位置和磁场

之间的角度。除非另外说明，θ是穿过编码器4的旋转的中心的两条直线之间的角度，一条穿过传感器1，而另一条穿过编码器4的北磁极的中心。作为编码器4的角位置的函数，场B₁如图2中所示的演化。场B₁等于B_max cos(θ+120°)，而场B₃等于B_max cos(θ+240°)。通常，我们使B_i/B_max＝cos(2π(i-1)/3+θ)。

如在图3中可见，检测系统包括用于整形测量结果的电子电路5。每个传感器1到3的输出链接到滤波器6到8，使得可能提供检测的磁场信号。电子电路5除了滤波器6到8以外还包括两个放大器9和10。放大器9通过电阻器12在它的反相输入接收源自传感器3的滤波器8的信号B₃。电阻器12包括一方面串联的固定电阻器12a和分压器12b，以及另一方面与分压器12b并联的固定电阻器12c。电阻器11安放在放大器9的反相输入和输出之间。

在放大器9的非反相输入，它通过电阻器13接收源自传感器2的滤波器7的信号B₂。电阻器14布置在一方面放大器9的非反相输入和电阻器13公共的点以及另一方面电路的接地之间。电阻器15布置在一方面放大器9的非反相输入和电阻器13公共的点以及另一方面例如+5v的电路的电源之间。

放大器9提供等于在一个常数内的角θ的正弦的电压作为输出。放大器9因而影响场B₂和场B₃之间的差。

放大器10包括非反相输入，它通过电阻器17接收源自传感器1的滤波器6的信号B₁。电阻器17包括一方面串联的固定电阻器17a和分压器17b，以及另一方面与分压器17b并联的固定电阻器17c。电阻器11安放在放大器9的反相输入和输出之间。电阻器18布置在一方面放大器10的非反相输入和电阻器17公共的点以及另一方面电路的接地之间。电阻器19布置在一方面放大器10的非反相输入和电阻器17公共的点以及另一方面例如+5v的电路的电源之间。

放大器10包括反相输入，该反相输入一方面通过电阻器20接收信号B2，并且另一方面通过电阻器21接收信号B₃。电阻器21包括一方面串联的固定电阻器21a和分压器21b，以及另一方面与分压器21b并联的固定电阻器21c。电阻器22安放在放大器9的反相输入和输出之间。

放大器10影响信号B₁与信号B₂和B₃的和的倒数的相加。来自放大器10的输出信号等于在一个常数内的角θ的余弦。分别由放大器9和由放大器10输出的正弦θ和余弦θ信号被分派到配置来计算tanθ的内插器23，也就是说正弦除以余弦并且应用反正切函数以便提供角θ作为输出。获得以下：

\tan θ = - \frac{\frac{\sqrt{3}}{2} (B_{2} - B_{3})}{B_{1} - \frac{1}{2} (B_{2} + B_{3})}

在具有N个传感器的通常情况下，在保持对许多均匀(uniform)磁场、对温度变化、对编码器的增益和偏置的移动所固有的不敏感性的优点的同时，我们得到：

θ = - a \tan [\frac{Σ_{i = 1}^{i = N} Bi * \sin (\frac{2 π}{N} * (i - 1))}{Σ_{i = 1}^{i = N} Bi * \cos (\frac{2 π}{N} * (i - 1))}]

选择电阻器12到22的值，以便应用后面等式的乘法常数。因而实现非常简单和便宜的电子处理电路，其能够以已经参照图3表示的模拟方式或以数字方式实现。因而在对磁场的模量B_max以及初始移动(特别是机械移动)的变化不敏感的同时，以可靠的方式计算角θ。

如图4所示的差分检测系统能够被应用到图4中图示的、并且包括安放在由轴承26和27支撑的轴25上的定子23以及转子24的电动马达。

在图4中，只有传感器1是可见的，布置在电动马达中的传感器2和3不在该截面图中。电路5紧邻传感器1安放。传感器和处理电路5由定子23支撑，而编码器4由转子24支撑。

在图5图示的实施例中，检测系统安放在由28所标记的滚柱轴承中作为总体。滚柱轴承28包括支撑编码器4的外环29和内环30。外环29支撑传感器1到3以及处理电路5。轴承28能够用在多种应用中，特别是支撑电动马达轴和确定转子的磁极相对于定子的磁极的位置。

除非另有说明，用于差分地检测旋转元件相对于非旋转元件的位置的设备可以包括旨在固定到旋转元件的双极编码器、具有相对于编码器的气隙并且旨在固定到非旋转元件的三、五、或七个沿圆周规则分布的磁场传感器、以及接收来自每个传感器的输出信号的计算电路，所述信号代表由传感器测量的磁场。计算模块配置为发射代表旋转元件相对于非旋转元件的角位置θ的信号作为输出。计算模块可以包括由与电阻器相关联的三个放大器组成的子组件。

在图6图示的实施例中，检测系统包括：绑定到希望确定它的位置的旋转元件(未表示)的小直径31的传动装置(gearing)；提供有大直径32的边齿的双重传动装置，其与小直径31的传动装置啮合，并且具有小直径33的边齿(toothing)；以及与双重传动装置的小直径33的边齿啮合的大直径34传动装置。编码器4在旋转中绑定到大直径34的传动装置，并且传感器1到3是固定的。各传动装置确保等于D₃₂D₃₄/D₃₁D₃₃的减小，其中D_i是传动装置i的直径，从而确保了极好的测量精度。

因而结果可能有助于计数由大直径34的传动装置执行的旋转数。如图7和8中所示，大直径34的传动装置包括相对于边齿轴向移动和被提供以便与相对于大直径34的传动装置轴向移动的齿轮36协作的螺栓35。在大直径34的传动装置的旋转期间，齿轮36用邻近的螺栓35的每一段(passage)以间断的方式驱动。在一个方向或在另一个方向，齿轮36的每个角位移对应于大直径34的传动装置的旋转。齿轮36安装有角位移传感器37，该角位移传感器37可以是具有低分辨率(resolution)的经济型的。

图9中图示的电子处理电路38包括：模拟数字转换器39，其接收来自传感器1到3的输出信号作为输入；包括链接到转换器39的输出的输入的计算模块40，其特别地配置来执行例如信号sinθ除以cosθ以便获得tanθ作为输出；包括链接到计算模块40的输出的输入的计算模块41，其特别地配置来执行反正切运算并且获得角作为输出θ；以及整形模块42，其接收角θ作为输入，并且例如通过脉冲宽度调制或通过数字模拟转换施加整形。因此电子处理电路38确保数字处理，这在某些应用中是期望的。

在图10中图示的实施例中，检测系统包括用相对于双极编码器4的轴向气隙布置的三个传感器1到3。径向部分由编码器4限定并且相对于图1中图示的系统的径向部分减小。传感器1到3径向地布置在定界编码器4的两个圆圈之间。

在图11和12图示的实施例中，检测系统包括用相对于编码器43的轴向气隙布置的三个传感器1到3、以及三个固定永磁体44、45和46。编码器43包括磁平板，例如非铁的、椭圆外围的并且钻有椭圆开口的材料，椭圆开口的由焦点形成的轴垂直于由该外围椭圆的焦点形成的轴，以便形成径向相对宽的凸出部分47。编码器的外围以编码器43的旋转轴为中心。磁体44、45和46布置在相对于传感器1到3的编码器43的对边，并且面对传感器1到3。除非另有说明，轴向气隙提供在磁体44、45和46以及传感器1到3之间。气隙足够允许编码器43出现在磁体44、45和46以及传感器1到3之间。

在图11和12中可见的角位移中，编码器43的凸出部分47位于磁体44和传感器1之间，非常大地减弱由传感器1感觉的磁场。相反地，在磁体45和传感器2之间以及在磁体46和传感器3之间没有编码器43。因此，传感器1到3提供类似于在之前实施例中提供的信号。

在图13和14中图示的实施例类似于图11和12的实施例，除了磁体44到46和传感器1到3布置在编码器43的同侧。因而编码器43能够根据它的角位置修改由传感器1到3感觉的磁场。

在图15中图示的实施例类似于图13和14的实施例，除了编码器48相对于它的旋转轴倾斜。编码器48包括磁平板，例如铁的、圆形外围的并且钻有与外围同心的圆形开口的材料。在编码器48的旋转期间，编码器48和传感器1到3之间的距离正弦地变化。编码器48根据所述编码器48的角位置修改由传感器1到3感觉的磁场。

在图16中图示的实施例类似于图15的实施例，除了编码器49包括例如基于磁化的塑性铁素体的环形双极环50。相对于其旋转轴倾斜的编码器49从每个传感器1到3循环地来回移动，并且生成磁场51，由每个传感器1到3所感觉到的所述磁场51依赖于分开它们的距离并且因此依赖于编码器49的角位置。

在图17中图示的实施例中，编码器52包括具有径向磁化的环形双极环。除非另有说明，磁极53之一是在编码器的内径(bore)上形成，而另一个磁极54在外围形成。编码器52的中心55相对于旋转轴56径向移动。因此布置有径向气隙的传感器将北磁极或南磁极视为编码器51的角位置的函数。因此来自传感器1到3的输出信号代表编码器51的角位置。

Claims

1.一种用于检测旋转元件相对于非旋转元件的角位置的系统，其特征在于它包括：提供有大于或等于2的P个磁极的环形编码器(4)，其旨在被固定到旋转或非旋转元件之一；以及N个传感器，N是大于或等于3的奇数，其能够接收源自编码器的信号并且有角度分布地安装在面对所述旋转或非旋转元件的旋转或非旋转元件的另一个上；以及至少一个减法模块，其能够处理来自传感器的至少两个输出信号，以便生成差分信号。

2.如权利要求1所述的系统，其中该减法模块包括计算模块，该计算模块能够通过信号的加权差分使得可能生成Ucos＝Sum(a_i*U_i)-Sum(b_i*U_i)，其中i从1到N，系数a_i和b_i使得可能基于N项信息重排所寻求的角度的正弦和余弦。

3.如权利要求2所述的系统，其中该减法模块包括用于数字化信息的模拟项的电路、以及用于计算Ucos的集成电路。

4.如权利要求2所述的系统，其中该减法模块包括用于计算Ucos的模拟电路。

5.如之前任一权利要求所述的系统，包括：旨在被固定到旋转元件的双极环形编码器(4)；旨在被固定到面对该编码器的非旋转元件的三个沿圆周规则分布的磁场传感器(1、2、3)；以及从每个传感器接收输出信号的减法模块(5)，所述信号代表由传感器测量的磁场，并且发射代表旋转元件相对于非旋转元件的角位置θ的差分信号作为输出。

6.如之前任一权利要求所述的系统，其中来自计算模块的输出信号包括旋转元件相对于非旋转元件的角位置θ的正弦信号和余弦信号。

7.如之前任一权利要求所述的系统，其中该减法模块(5)包括作为加法器和/或减法器安装的放大器(9、10、11)。

8.如权利要求7所述的系统，其中安装第一放大器(9)作为减法器，以便提供第一输出信号，安装第二放大器(10)作为加法器-反相器并且安装第三放大器(11)作为加法器，以便提供第二输出信号，该第二放大器的输出链接到该第三放大器的输入。

9.如之前任一权利要求所述的系统，其中该减法模块(5)包括每个传感器一个滤波器(6、7、8)、安装在各滤波器的输出的三个放大器(9、10、11)、以及安装在各放大器的输出的内插器(21)。

10.如之前任一权利要求所述的系统，其中由B₁、B₂和B₃表示来自各传感器的输出信号，当运行时计算模块提供等于(

)(B₂-B₃)/A的第一输出信号和等于(B₁-(B₂-B₃)/2)/A的第二输出信号，A是常数。

11.如之前任一权利要求所述的系统，其中该减法模块包括内插器(21)，该内插器(21)接收所述角位置的正弦和余弦作为输入，并且提供所述角位置θ作为输出。

12.如之前任一权利要求所述的系统，其中各传感器以非周期性的方式分布，以便优化关于由发射环形环发射的形状的误差。

13.如之前任一权利要求所述的系统，其中各传感器布置在一个和同一机架中。

14.如之前任一权利要求所述的系统，包括旋转率机械减速齿轮。

15.如权利要求14所述的系统，包括通过每次旋转递增一个槽口的机械计数器。

16.如之前任一权利要求所述的系统，包括在2π/3角扇区上布置的三个、五个或七个传感器、以及双极编码器。

17.如之前权利要求1到15的任一所述的系统，包括在π/3角扇区上布置的三个、五个或七个传感器、以及四极编码器。

18.如之前权利要求1到15的任一所述的系统，包括在4π/9角扇区上布置的三个、五个或七个传感器、以及六极编码器。

19.如之前权利要求1到15的任一所述的系统，包括在π/6角扇区上布置的三个、五个或七个传感器、以及八极编码器。

20.一种滚柱轴承(26)，包括：两个环(27、28)、布置在各环之间的一排滚动元件、以及如之前任一权利要求所述的系统，所述系统提供一个环相对于另一个环的角位置。

21.一种旋转机械，包括：转子(22)、定子(21)、以及如权利要求1到19的任一所述的系统，所述系统提供转子相对于定子的角位置。