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CN101971471A - 使用磁场的位置测量 - Google Patents

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CN101971471A CN2009801091575A CN200980109157A CN101971471A CN 101971471 A CN101971471 A CN 101971471A CN 2009801091575 A CN2009801091575 A CN 2009801091575A CN 200980109157 A CN200980109157 A CN 200980109157A CN 101971471 A CN101971471 A CN 101971471A
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Abstract

对用于车辆底盘的主动悬挂系统的线性电机(102)的位置检测。从定子末端(104)延伸开的霍尔传感器(122a-d)检测距离运动磁体(108)的末端位置。另一霍尔传感器装置(110a，b)检测运动磁体(108)的确切的场方向，从而提供精确的位置信号。替代的位置检测：固定到定子的、永久磁体(232，290)偏置的霍尔传感器(238)检测由固定到移动体的、运动的、长的楔形钢刀(231)导致的场变动。

Description

使用磁场的位置测量
技术领域
本发明涉及使用磁场的位置测量。
背景技术
线性电机可用于控制对象的位置和移动。在一些示例中，磁传感器阵列可用于读取安装在衔铁上的磁尺的图案，以确定衔铁相对于电机的定子的位置。传感器可以是数字传感器(诸如霍尔效应开关)，模拟传感器(诸如磁阻传感器或巨磁阻传感器)，或者两者的组合。
发明内容
本文件描述了一种低成本非接触式高分辨率长行程绝对位置传感器，其可在宽温度范围上工作。该位置传感器测量线性电机衔铁的位置，使得控制系统能够正确地执行电机换向(电驱动适当的电机线圈)并控制在其中使用该电机的更高层级的系统。
在一个方面，总体上，线性电机包括定子和衔铁，衔铁沿一路径相对于定子移动，衔铁包括磁体；并且传感器基于测量衔铁的磁体产生的磁场来确定衔铁的位置。
实现方式可以包括一个或多个下列特征。传感器可以检测衔铁的磁体之一的磁场。该一个磁体可以位于衔铁的末端。传感器可以确定磁场的方向。传感器可以包括检测衔铁的第一末端的第一磁传感器，以及检测衔铁的第二末端的第二磁传感器。传感器可以补偿磁场强度的变动。磁场强度的变动可由从包括温度变化、距离、磁场的组中选择的因素引起。传感器可以通过使用在第一方向上的磁场的第一测量与在第二方向上的磁场的第二测量的比率来补偿磁场强度。传感器可以测量在第一方向上的磁场的第一测量，并测量在第二方向上的磁场的第二测量。传感器可包括磁传感器来检测衔铁磁体的磁场，该磁传感器与定子间隔开。传感器可以通过在一位置处测量磁场在第一和第二方向上的振幅而测量第一和第二测量。第一和第二方向可以包括垂直于路径的第一方向和垂直于路径的第二方向。可以提供存储设备来存储关于磁场的方向和移动构件沿路径的位置之间的相关性的信息。可以提供模块来计算磁场的方向和移动构件沿路径的位置之间的相关性。
在另一方面，总体上，可沿路径移动的构件包括：沿路径延伸的伸长的磁体，伸长的磁体的磁场定向相对于路径成一角度；以及传感器，基于测量伸长的磁体产生的磁场来确定构件沿路径的位置。
实施实现方式可以包括一个或多个下列特征。相对于所述路径成一角度的伸长的磁体的磁场定向可以通过物理上将伸长的磁体沿相对于所述路径处于相同角度的方向放置，或者通过沿相对于所述路径处于相同角度的方向列印伸长的磁体的定向来实现。伸长的磁体可以包括第一部分和第二部分，第一部分具有磁北到南方向，其不同于第二部分的磁北到南方向。第一和第二部分可以都平行于第一方向延伸。第一和第二部分可以具有垂直于第一部分的北到南轴。传感器可以确定伸长的磁体产生的磁场的方向。可以提供存储设备来存储关于磁场方向和构件位置的相关性的信息。可以提供模块来计算磁场方向和构件位置的相关性。传感器可以基于对磁场的测量来确定构件沿路径的绝对位置。构件可以包括电机的衔铁。伸长的磁体可以包括条形磁体。
在另一方面，总体上，可沿路径移动的构件随着构件相对于磁体沿路径移动而改变磁体的磁场的分布；并且传感器基于对磁场定向的测量确定构件在路径上的位置。
实现方式可以包括一个或多个下列特征。构件可以包括铁磁元件，其随着构件沿路径移动改变磁场的分布。该铁磁元件可以包括钢元件。铁磁元件可以具有随着构件沿路径移动而变化的截面，该截面沿着垂直于路径的平面。构件可以包括电机的衔铁。磁体可以相对于电机的定子固定。
在另一方面，总体上，主动悬挂系统包括：具有定子和衔铁的线性电机，所述衔铁沿一路径相对于定子移动，所述衔铁包括磁体；传感器，用于基于对衔铁的磁体产生的磁场的测量确定衔铁的位置；以及控制器，用于基于衔铁的位置控制线性电机。
实现方式可以包括一个或多个下列特征。衔铁可以耦合到座椅或者方向盘。
在另一方面，总体上，主动悬挂系统包括：可沿路径移动的构件，该构件包括沿路径延伸的伸长的磁体，伸长的磁体的磁场定向相对于路径成一角度。该系统包括传感器，用于基于测量伸长的磁体产生的磁场来确定构件沿路径的位置；以及控制器，用于基于构件的位置来控制构件的移动。
实现方式可以包括一个或多个下列特征。衔铁可以耦合到座椅或者方向盘。
在另一方面，总体上，主动悬挂系统包括：磁体和可沿路径移动的构件，所述构件随着构件相对于磁体沿路径移动而改变磁体的磁场的分布。该系统包括传感器，用于基于测量磁场的定向来确定构件在路径上的位置；以及控制器，用于基于构件的位置来控制构件的移动。
实现方式可以包括一个或多个下列特征。衔铁可以耦合到座椅或者方向盘。
在另一个方面，总体上，来自线性电机的衔铁的磁体的磁场相对于定子移动衔铁；并且基于测量衔铁的磁体产生的磁场来确定衔铁的位置。
实现方式可以包括一个或多个下列特征。可以检测衔铁的末端的一个磁体的磁场。可以确定磁场的方向。确定磁场的方向可以包括确定在第一方向上的磁场的第一测量与在第二方向上的磁场的第二测量的比率。第一和第二方向可以包括垂直于路径的第一方向和垂直于路径的第二方向。该方法可包括与定子隔开一距离来定位磁传感器并使用磁传感器来检测衔铁磁体的磁场，该距离选择为减少来自定子产生的磁场的干扰。关于磁场的方向和移动构件沿路径的位置之间的相关性的信息可以存储在存储器中。可以确定磁场的方向和移动构件沿路径的位置之间的相关性。
在另一方面，总体上，构件沿路径移动，该构件包括沿路径延伸的伸长的磁体，伸长的磁体的磁场定向相对于路径成一角度；以及基于测量伸长的磁体产生的磁场确定构件沿路径的位置。
实现方式可以包括一个或多个下列特征。物理上将伸长的磁体沿相对于所述路径处于所述角度的方向放置。确定伸长的磁体产生的磁场的方向。关于磁场的方向和移动构件沿路径的位置之间的相关性的信息可以存储在存储器中。可以确定磁场的方向和移动构件沿路径的位置之间的相关性。可以基于对磁场的测量确定构件沿路径的绝对位置。沿路径移动构件可以包括沿路径移动电机的衔铁。
在另一方面，总体上，沿路径移动构件，随着构件相对于磁体沿路径移动而改变磁体的磁场的分布；并且基于对磁场定向的测量确定构件在路径上的位置。
实现方式可以包括一个或多个下列特征。沿路径移动构件可以包括移动铁磁元件，其随着构件沿路径移动改变磁场的分布。沿路径移动构件可以包括移动钢元件，其随着构件沿路径移动改变磁场的分布。沿路径移动构件可以包括移动铁磁元件，该铁磁元件具有随着构件沿路径移动而变化的截面，该截面沿着垂直于路径的平面。沿路径移动构件可以包括沿路径移动电机的衔铁。磁体可以相对于电机的定子保持在固定位置。
这些和其他方面和特征，以及其组合，可以表达为方法，装置，系统，用于执行功能的装置，程序产品，以及以其他方式表达。
这些方面和特征可以具有一个或多个下列优点。位置传感器可以简单并且低成本，并且可以以低精度要求组合。对于每个位置传感器可以使用少量的磁场方向传感器和磁场源。
附图说明
图1是定位系统的示意图。
图2是定位系统中使用的传感器的示意图。
图3A是磁场方向传感器的图示。
图3B是示出磁场分量的曲线图。
图4是示出定位系统中的磁场分布的图示。
图5和图6是定位系统的示意图。
图7是有角度的伸长磁体的示意图。
图8A和图8B是传感器和有角度的磁体的截面图。
图9A和图9B是示出磁场分布的图示。
图10是示出磁场分量和磁体偏移位置的关系的曲线图。
图11A是伸长磁体的图示。
图11B是示出磁场方向和磁体偏移位置的关系的曲线图。
图12A和图12B是定位系统的示意图。
图12C是定位系统的截面图。
图13A和图13B是示出磁场分布的图示。
图14是定位系统的示意图。
图15是微控制器板的框图。
图16是表示校准查找表中存储的数据的曲线图。
具体实施方式
参考图1，在一些所限方式中，定位系统100使用低分辨率粗略位置感测和高精度精细位置感测的组合来确定衔铁106相对于线性电机102的定子104的精确位置。精细位置感测可以使用位置传感器组件120a和120b(一并称为120)来实现。在一个示例中，位置传感器组件120a和120b包括磁场方向传感器110a和110b(一并称为110)，其提供高分辨率相对位置测量；以及一系列霍尔效应传感器122(见图2)，其提供衔铁106的末端点的低分辨率粗略位置测量。来自磁场方向传感器110和霍尔效应传感器122的输出由微控制器322(见图15)处理，以确定衔铁106的高分辨率的绝对位置。
定子104包括用于让可控电流通过以产生可控磁场的绕线或线圈。衔铁106包括一系列磁体(例如108a，108b...，一并称为108)，用于产生与来自定子线圈的电磁场相互作用的磁场，以产生用于移动衔铁106的磁力。衔铁106的位置和移动由外部控制系统(未示出)控制，其基于各种信息例如衔铁106的当前位置适当地将不同电流施加到不同线圈。定位系统100的一个特征在于相同的磁体108既用于力产生(用于移动衔铁106)，也用于位置测量。这减少了定位系统100的成本，因为不需要为位置感测使用额外的磁体。
定位系统100具有很多应用。例如，系统100可以用作车辆的悬挂系统的一部分来为驾驶员和乘客提供更好的舒适性。系统100可以帮助在崎岖道路上行驶时维持车身稳定，并在激进的操纵中保持车身平衡。定位系统100也可用作驾驶员座椅悬挂系统的一部分，其保持驾驶员座椅稳定并将驾驶员与车辆其他部分的震动隔离开来。
图1所示的定位系统100使用全行程线性电机102，这意味着衔铁106可以延伸到定子104的任一侧(112a或112b)。在一些示例中，可以使用半行程线性电机。在此情况下，可以使用单个磁场方向传感器110a或110b来确定衔铁在定子104的一侧上半行程行进时的位置。
文中所用的术语“传感器”可以依上下文而具有不同含义。例如，传感器可以是简单的感测装置，比如霍尔效应传感器，霍尔效应开关，或者磁场方向传感器。传感器还可以是包括数据处理器的传感器，其处理来自传感装置的信号并确定衔铁的位置。
参考图2，位置传感器组件120包括具有若干霍尔效应传感器122的电路板。在一个示例中，霍尔效应传感器122分开一标称均匀的距离，该距离小于衔铁磁体108分开的距离。位置传感器组件120的电路板位于相对于定子104的固定位置处。霍尔效应传感器122测量来自衔铁磁体108的磁场并通过感测衔铁106的末端磁体108a的近似绝对位置，提供衔铁106相对于定子104的低分辨率粗略绝对位置。这允许定位系统100确定衔铁106相对于定子104的近似绝对位置。最远离定子104的霍尔效应传感器122d放置为使得它可以检测当衔铁106处于其最远位置时的末端磁体108a的磁场。由于诸如在衔铁106的每一端的108a的末端磁体可以行进到定子104中不能放置场方向传感器110的位置，所以霍尔效应传感器122放置在线性电机102的两端，使得对于在衔铁106的整个行程上的任何位置，可以感测至少一个末端磁体。在一个实施例中，每个位置传感器组件(120a和120b)在其上工作的衔铁运动范围(112a和112b)重叠。范围112a和112b可以相等或者不相等。
还可以使用其他磁传感器来检测衔铁磁体108以用于进行粗略位置感测，诸如基于磁阻的传感器。
参考图3A，场方向传感器110测量磁场方向130相对于参考方向132的角度θ1。场方向传感器110的示例包括2SA-10集成式2轴霍尔效应传感器，可从瑞士的Sentron AG公司购得。场方向传感器110可以通过测量磁场的两个正交分量(例如x和y分量)的比率来检测磁场方向的角度。场方向传感器110内在地补偿磁场强度上的变动，因为变动趋向于在两个分量上成比例，所以它们的比率保持基本相同。
参考图3B，曲线图156示出场方向传感器110检测的磁场的两个分量，标为Bx和By。每个分量Bx和By可以随着衔铁磁体108相对于场方向传感器110移动而周期性地变化。水平轴表示衔铁移动的距离(毫米)，垂直轴表示Bx和By分量的振幅(高斯)。
图4示出定子线圈产生的电磁场140和衔铁磁体108产生的磁场142的分布。磁场142的方向沿衔铁106的行进方向141周期性变化。磁场142的方向在每次衔铁106行进了跨两个磁体108的距离时重复。场方向传感器110可以确定衔铁在两个磁体108的距离内的位置，从而提供高分辨率相对位置感测。由于在衔铁每一端的末端磁体108a可以行进到定子中不能放置场方向传感器110的位置，所以霍尔效应传感器122位于电机102的每一端，放置为使得对于在衔铁106的整个行程上的任何位置，总有一个磁体在至少一个霍尔效应传感器122之下。
如果场方向传感器110具有x1度的分辨率，并且衔铁磁体108的节距(节距指两个磁体的距离)是p，则精细位置感测的分辨率为大约p*x1/180。在一些示例中，场方向传感器110可以具有0.07度的分辨率，并且衔铁磁体108可以具有5mm的节距。这得到5mm*0.07/180＝0.0002mm的分辨率。
通过组合来自霍尔效应传感器122的测量(其提供低分辨率绝对位置信息)和来自场方向传感器110的测量(其提供高分辨率相对位置信息)，可以获得衔铁106相对于定子104的高分辨率绝对位置。
在定位系统100组装到电机之后执行校准过程。在定位系统100的最后组装和测试过程中，对于衔铁106的多个位置中的每一个记录霍尔效应传感器122和场方向传感器110的输出。使用外部校准的仪器测量衔铁106的位置。校准的衔铁位置和它们对应的来自霍尔效应传感器122和场方向传感器110的输出被存储在经过校准的查找表324内(见图15)。之后，当使用定位系统100时，从霍尔效应传感器122和场方向传感器110获得的测量与经过校准的查找表324内的值进行比较，以确定衔铁106的位置。可以使用表格值之间的内插来获得不受表324本身分辨率限制的位置值。
经过校准的查找表324允许使用低成本的、未校准的传感器。因为查找表在制造过程的最后阶段附近建立，可以增加制造容限。当将传感器输出与经过校准的查找表324比较时，可以补偿定位系统100的传感器或者其他部件在定位系统100的制造和组装期间的未对准产生的误差。
场方向传感器110位于足够远离定子线圈的距离D，使得场方向传感器110不受来自定子线圈的磁场140的影响。该要求与霍尔效应传感器的位置要求兼容，从而位置传感器组件120的相同电路板可以用于保持霍尔效应传感器122和场方向传感器110。还可以使用磁屏蔽方案来防止来自定子线圈的场影响场方向传感器110的位置处的衔铁磁体场。
参考图5，在一些实现方式中，定位系统160使用置于衔铁106一侧的一系列附加磁体162，其具有小于衔铁108的节距，以便提供精细位置信息。测量小节距磁体162产生的磁场的方向的场方向传感器(在图中被其他部件遮挡)可用于确定衔铁106的高分辨率相对位置。通过组合来自霍尔效应传感器122的测量数据和来自场方向传感器的测量数据，可以确定衔铁106的高分辨率绝对位置。
在一些示例中，小节距磁体162包括具有交替极性的离散磁体。在一些示例中，磁体162可以由具有带交替极性的区域的条形磁体制成。离散磁体或者条形磁体可以放置在钢衬垫上。
图1的示例使用检测末端衔铁磁体108a的霍尔效应传感器122来进行粗略位置感测。可以使用如下所述的粗略位置感测的其他方法。
参考图6，在一些实现方式中，定位系统170使用有角度的伸长的磁体172(其是以相对于衔铁106的电机方向的一角度安装的伸长的磁体)来产生粗略位置感测中使用的磁场。伸长的磁体172可以类似于在冰箱磁封条中使用的条形磁体。伸长的磁体172延伸与衔铁106的行程长度相当的长度，并且，因为其以相对于移动方向的一角度安装(该方向在一示例中基本水平，如图4(141)所示)，可以提供具有在垂直于移动方向的平面中的跨整个行进长度变化的方向磁场分量。磁场方向的变化可以由磁场方向传感器182(见图7)检测，以提供粗略绝对定位信息。在一些应用中，该绝对位置测量对于某些应用可以提供足够的准确度，并且不需要任何其他分量用于更细分辨率的测量。
参考图7，在一些示例中，伸长的磁体172可以是放置在钢衬垫173上的单极性条形磁体172，并定向为使得伸长的磁体172的长度方向174相对于衔铁行进方向176成角度θ2。伸长的磁体172的一端186在第一位置178，并且其延伸到在钢衬垫173上的第二位置处的另一端188。
图8A是钢衬垫173、传感器182、以及伸长的磁体172的末端173的横截面视图。图8B是钢衬垫173、传感器182、以及伸长的磁体172的另一端188的横截面视图。磁场传感器182放置为使得当从衔铁移动的方向观看时，有角度的磁体172的末端186位于传感器182的左下侧，并且条形磁体172的另一端188位于传感器182的右下侧。随着衔铁106移动，场方向传感器182附近的磁场分布相应地改变。
在此说明书中，术语“左”，“右”，“上”，“下”，“水平”和“垂直”指的是图中的部件的相对位置。部件可以具有其他位置或定向。
图9A示出伸长的磁体172的单极磁化的磁场190的分布。图9B示出伸长的磁体172的双极磁化的磁场190的分布。钢衬垫173连接到衔铁106，而场方向传感器182位于相对于定子104的固定位置。当衔铁106相对于定子104移动时，有角度的伸长的磁体172相对于传感器182移动。当衔铁106移动了其行程的完整长度时，场方向传感器182从相对于磁体172处于位置A改变到位置B。
传感器182定向为检测磁场190的Bx和By分量。在此示例中Bx分量垂直于衔铁106的行进路径。By分量垂直于衔铁106的行进路径并垂直于磁体172的上表面192。
图10为具有分别表示磁场190的Bx和By分量的振幅相对于衔铁106的位置的曲线202和204的曲线图200。水平轴代表衔铁移动的距离(毫米)，垂直轴代表Bx和By分量的振幅(高斯)。通过限制给定磁条和钢衬垫设计的连接角度，Bx和By分量的测量的组合对整个行程来说对于衔铁106的每个位置是唯一的。因此，场方向传感器182的输出可以用于确定衔铁106的绝对位置。
参考图11A，伸长的磁体172示出为具有一个极。也可以使用具有两个极的伸长的磁体210。伸长的磁体210的两个极定向为具有相反的极性从而当以相对于衔铁行进方向的一角度放置时，在跨越伸长的磁体210的长度上提供磁场方向更大的变化，如场方向传感器测量的。
参考图11B，曲线图220示出表示磁场方向和有角度的1个极的伸长的磁体172相对于传感器182在x方向上的位置(见图8A和图8B)的2D有限元场关系的曲线222。曲线224示出磁场方向和有角度的2个极的伸长的磁体210相对于传感器182在x方向上的位置的关系。在该示例中，每个磁体在x方向上从-2mm偏移到+2mm。曲线222和224的比较指示了有角度的2个极的伸长的磁体210的磁场方向的变化大约是有角度的1个极的伸长的磁体172的磁场方向的变化的两倍。
曲线图220中示出的关系是使用3.4MGOe条形磁体做出的。磁体172和210定向为使得在x方向上从磁体的一个端到另一端有4mm的偏移(例如图9中位置A和B之间的距离是4mm)。对于有角度的1个极的条形磁体172，磁场方向上的变化为69°。作为比较，对于有角度的2个极的伸长的磁体210，磁场方向上的变化为152°。
比较有角度的1个极的和2个极的伸长的磁体，使用有角度的2个极的伸长的磁体210的好处是可以获得更大的磁场方向变化。使用有角度的1个极的伸长的磁体172的好处是，对于相同的总体磁尺寸，1个极的条形磁体172可以产生更强的磁场，这在测量中可以提供更高的信噪比。
参考图12A和图12B，在一些实现方式中，定位系统230通过使用锥形的钢刀231来改变衔铁106移动时磁场的分布，来获得粗略位置信息。图12B是图12A的部分235的放大图示。磁场由一个或多个永磁体(例如232和290)生成，并且磁场方向由磁场方向传感器238检测。
图12C是定位系统230的横截面视图。可以提供钢部件234，其中钢部件234和钢刀231提供高导磁率路径。
钢刀231例如可以是钢片240的一部分。钢片240可以具有连接到支撑244的部分242，支撑242继而又耦合到衔铁106。钢刀231从支撑244向外延伸并且具有锥形的形状，使得钢刀231的一端246窄于钢刀231的另一端248。钢刀231的一部分通过传感器238和磁体290之间的区域296。当磁体106在其完整行程上行进时，钢刀231在区域296中的部分的宽度改变。因为钢刀231具有比空气更大的导磁率，所以改变钢刀231在区域296中的部分的宽度改变场方向传感器附近的磁场的分布。
图13A和图13B示出当钢刀231处于两个不同位置时两个永磁体232和290的磁场分布的模拟。当钢刀231的较宽末端248在区域296中时(如图13A所示)，较高密度的磁通量穿过钢刀231。在该示例中，场方向传感器238检测的磁场具有方向292。当钢刀231的较窄末端246在区域296中时(如图13B所示)，较低密度的磁通量穿过钢刀231。在该示例中，场方向传感器238检测的磁场具有方向294。这表示当衔铁106在其完整行程上行进时，磁场方向在方向292和方向294之间改变。
诸如磁体数量，每个磁体的尺寸和位置，携带磁通量的钢部件的尺寸和形状，以及场方向传感器238的位置可以选择为使得有足够的磁场来允许场方向传感器238正确地工作，并且当衔铁106沿整个行程行进时有足够大的磁场方向差异。
钢刀231，场方向传感器238，以及磁体232和290可以有不同的位置和定向来容纳各种设计限制，比如对可用空间的限制。
参考图14，在一些实现方式中，类似于定位系统230(图12A)的定位系统298使用钢刀233和场方向传感器238，其与系统230中的钢刀和场方向传感器相比旋转了90°。随着衔铁106移动，钢刀233延伸到场方向传感器238和一个或多个磁体290之间的区域316中的量改变，从而改变场方向传感器238附近的磁场的分布，类似于图12A中的情形。定位系统的定向可以被调节以利用线性电机的开放空间，以便减少定位系统和线性电机的组合的总体尺寸。
参考图15，在一些实现方式中，定位系统100(图1)，160(图5)，170(图6)，230(图12A)和298(图14)每个包括微控制器单元(MCU)电路板320a和320b，用于确定衔铁106的位置。MCU电路板320a包括微控制器322，其处理来自场方向传感器110a的信号330a和330b(一并称为326)和来自位于第一侧112a的霍尔效应传感器122的信号332a，332b，332c等(一并称为328)。MCU电路板320b包括微控制器322，其处理来自场方向传感器110b和来自位于第二侧112b的霍尔效应传感器122的信号。在一些示例中，单个MCU可以用于处理来自两个电路板320a和320b的场方向传感器110信号和霍尔效应传感器122信号。
信号330a和330b代表对磁场的两个分量的测量，其可用于确定磁场的角度或者方向。磁场方向可用于确定衔铁106的高分辨率相对位置。信号332a，332b，和332c等，代表来自霍尔效应传感器122的测量，并可用于确定衔铁106的粗略绝对位置。微控制器322组合信号326和328以确定衔铁106相对于定子104的高分辨率绝对位置。MCU电路板320a和320b执行类似的位置测量，但是在衔铁106的行进的不同部分上，使得对于任何衔铁位置都有正确的位置测量可用。覆盖区域的一些重叠可以在衔铁的移动要求从一个电路板的测量区域转变到另一个电路板的测量区域时提供正确的测量。两个测量区域之间大的重叠提供的好处是允许位置读取是从位于电机的相对端上的每个电路板的正确读取的平均。这种平均将趋向于消除热膨胀效应引起的位置误差并减少来自随机电噪声的误差。例如，定位系统可以在宽温度范围，比如从-40℃到+120℃上提供准确定位。MCU电路板320a和320b相互通信，并且如图所示，电路板320a上的MCU具有以下增加的任务：确定目前提供正确位置数据的一个或多个电路板，适当的时候进行平均，以及将位置测量发送到要求该数据的外部系统。
在组装并测试了定位系统100之后，执行校准过程，其中来自场方向传感器110和霍尔效应传感器122的测量与测量衔铁106的位置的外部校准的仪器做出的测量进行比较。经过校准的测量存储在经过校准的查找表324中。
参考图16，曲线图340示出了存储在经过校准的查找表324中的经过校准的测量，供在定位系统100(图1)中使用。曲线图340中的每个圆圈对应于查找表324中存储的测量值。曲线图340的水平轴代表衔铁106的位置。在该示例中，衔铁106行进120mm，代表测量电路板之一测量的行进的部分。
曲线图340包括两组数据。第一组数据342(由形成锯齿形函数的圆圈表示)包括从场方向传感器110获得的角度测量数据。第一组数据342指示出磁场方向随衔铁106的位置周期性地改变。例如，当衔铁106从0移动到大约9mm时，磁场方向从大约125°改变到359°。当衔铁106从大约9mm移动到大约21mm时，磁场方向从大约26°改变到330°，等等。角度测量提供相对定位，因为每个角度值可以对应于几个可能的衔铁位置。
第二组数据344(由形成阶梯形函数的圆圈表示)代表末端磁体位置，其由来自霍尔效应传感器122的输出确定。第二组数据344包括多个数据子集，每个子集对应于霍尔效应传感器122之一。例如，第一数据子集344a指示出当衔铁位置在大约0到9mm之间时，第一霍尔效应传感器122a(见图2)检测衔铁106的末端位置。第二数据子集344b指示出当衔铁位置在大约9mm到21mm之间时，第二霍尔效应传感器122b检测衔铁106的末端位置，以此类推。
在已经建立了经过校准的查找表324之后，将来自传感器的测量与查找表324中的值比较，以确定衔铁106的准确位置。例如，来自霍尔效应传感器122的输出与第二组数据344比较以确定低分辨率绝对位置。霍尔效应传感器信号可以用于确定衔铁106是否位于例如0到9mm之间，或者9到21mm之间，等等。
来自场方向传感器110的输出与第一组数据342比较以确定高分辨率绝对位置。例如，假定霍尔效应传感器122指示衔铁106在9mm到21mm之间，并且场方向传感器110指示磁场方向具有约247°的角度。传感器测量匹配查找表342中的数据点346，并且数据点346指示衔铁106处于约19mm的位置处。
存储在查找表324中的经过校准的测量的数量越多，后续的位置测量就可以越准确。查找表324可以存储在诸如闪存或者电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)的非易失性存储器中。由于非易失性存储器的容量，查找表324中可以存储有限数量的经过校准的测量。
如果磁场角度测量不匹配查找表324中存储的值，则可以使用内插过程来估计衔铁106的位置。例如，假定场方向传感器110输出角度测量x，并且查找表324具有角度值xn和xn+1，其中xn＜x＜xn+1，xn对应于衔铁位置yn，而xn+1对应于衔铁位置yn+1。使用线性内插，角度x可以确定为对应于衔铁位置y＝yn+Δy，其中Δy＝mn·Δx，Δx＝x-xn，并且mn＝(yn+1-yn)/(xn+1-xn)。斜率mn可以预先计算并存储在查找表324中，以便减少MCU执行内插计算所需的时间。跨越360度环绕不连续性的两个角度值之间的内插可以通过按需要对其中的一个点添加或者减去360度的偏移来执行，以便有效地消去环绕不连续性，并接着执行内插。这些偏移值可以预先计算并存储在表格中，以减少内插计算时间。
如图16中可见的，磁场角度相对于衔铁位置的关系不是连续的。这是由于角度值被数学地限制到0到360度的范围，导致当跌到0度以下或者升到360度以上时的瞬变，或者环绕。类似地，衔铁位置和从霍尔效应传感器输出确定的粗略位置的关系也不是连续的。为了增加衔铁位置测量的准确性，代表在不连续性发生的位置附近使用更小的位置增量进行的测量的额外数据点可以存储在经过校准的查找表324中。
尽管已经描述了各种实现方式，其他实现方式也在以下权利要求的范围内。例如，当在图1的定位系统100中使用线性电机时，[该电机具有有限的行程，使得在电机一侧上的衔铁磁体总是暴露于传感器，则只需要使用一个MCU电路板320。定位系统100，160，170，230和298可以用于悬挂系统以外的应用中，诸如确定各种机器例如机器人的移动部件的位置。
在一些应用中，仅粗略位置感测就可以提供足够的精度。例如，当定位系统170用于不要求高精度衔铁定位的应用中时，仅基于有角度的伸长的磁体172的效果的粗略位置感测可能就足够了。类似地，当定位系统230用于不要求高精度衔铁定位的应用中时，仅基于锥形的钢刀231的效果的粗略位置感测可能就足够了。
定位系统的部件可以具有不同于上述配置的配置并使用不同于上述材料的材料。例如，可以使用各种类型的磁传感器，诸如磁阻角度传感器HMC 1501或者HMC 1512，可从霍尼韦尔公司购得，或者基于霍尔效应的场方向传感器，可从Melexis Corp.购得。可以使用各种类型的磁体。磁体的南极和北极的定向可以不同于上述的那些。钢刀231(图12A)可以具有各种形状。可以使用一个以上的钢刀。钢刀231可以替换为具有不同于空气的导磁率的非钢材料。存储查找表324的非易失性存储器可以内置于微控制器322中或者在其外部。
与定位系统170，230和298一起使用的经过校准的查找表可以不同于曲线图340表示的查找表。例如，用于定位系统170的经过校准的查找表可以包括针对不同衔铁位置，对于有角度的磁体172产生的磁场的方向的经过校准的测量。用于定位系统230和240的经过校准的查找表可以包括针对不同衔铁位置，对于磁体232和290产生的磁场的方向的经过校准的测量。查找表在定位系统的维护期间可以被更新和重新校准。

Claims (18)

1.一种装置，包括：
具有定子和衔铁的线性电机，所述衔铁沿一路径相对于所述定子移动，所述衔铁包括磁体；以及
传感器，用于基于对所述衔铁的磁体产生的磁场的测量来确定所述衔铁的位置。
2.根据权利要求1的装置，其中所述传感器检测所述衔铁的磁体之一的磁场。
3.根据权利要求2的装置，其中所述磁体中的一个位于所述衔铁的末端。
4.根据权利要求1的装置，其中所述传感器确定磁场的方向。
5.根据权利要求1的装置，其中所述传感器包括检测所述衔铁的第一末端的第一磁传感器，以及检测所述衔铁的第二末端的第二磁传感器。
6.根据权利要求1的装置，其中所述传感器补偿磁场强度的变动。
7.根据权利要求6的装置，其中所述传感器通过使用在第一方向上的磁场的第一测量与在第二方向上的磁场的第二测量的比率来补偿磁场强度的变动。
8.根据权利要求1的装置，其中所述传感器测量在第一方向上的磁场以提供第一测量，并测量在第二方向上的磁场以提供磁场的第二测量。
9.根据权利要求8的装置，其中第一和第二方向包括垂直于所述路径的第一方向和垂直于所述路径的第二方向。
10.根据权利要求1的装置，其中所述传感器包括磁传感器，用于检测衔铁磁体的磁场，所述磁传感器与所述定子隔开以减少来自所述定子产生的磁场的干扰。
11.根据权利要求1的装置，还包括存储设备，用于存储关于磁场的方向和移动构件沿路径的位置之间的相关性的信息。
12.根据权利要求1的装置，还包括模块，用于计算磁场的方向和移动构件沿路径的位置之间的相关性。
13.一种主动悬挂系统，包括：
具有定子和衔铁的线性电机，所述衔铁沿一路径相对于所述定子移动，所述衔铁包括磁体；
传感器，用于基于对所述衔铁的磁体产生的磁场的测量来确定衔铁的位置；以及
控制器，用于基于所述衔铁的位置来控制所述线性电机。
14.根据权利要求13的主动悬挂系统，其中所述衔铁耦合到座椅或者方向盘。
15.一种方法，包括：
使用来自线性电机的衔铁的磁体的磁场以相对于定子移动所述衔铁；以及
基于测量所述衔铁的磁体产生的磁场来确定所述衔铁的位置。
16.根据权利要求15的方法，包括检测所述衔铁的末端处的一个磁体的磁场。
17.根据权利要求15的方法，包括确定磁场的方向。
18.根据权利要求15的方法，包括与所述定子隔开一距离来定位磁传感器，并使用所述磁传感器来检测所述衔铁磁体的磁场，该距离选择为减少来自所述定子产生的磁场的干扰。
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