CN110260890B - 用于确定旋转构件的至少一个旋转参数的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种系统，其包括：编码器(1)，其磁道(2)具有由沿阿基米德螺线的i个转变件(3)分离的交替的北磁极和南磁极；旋转传感器，其能够通过多个磁敏感元件(4a，4b)检测所述编码器所发射的周期性磁场，所述磁敏感元件(4a，4b)沿所述磁道(2)成角度地分布，以各自传递代表所述编码器(1)的旋转的信号，所述传感器进一步包括用于使两个敏感元件(4a，4b)所传递的信号(V₁，V₂)做减法运算的装置，在所述两个敏感元件(4a，4b)之间形成有角度γ，其使得：0.55π<γ.N_pp<0.83π，以2π为模，或者1.17π<γ.N_pp<1.45π，以2π为模。

Description

用于确定旋转构件的至少一个旋转参数的系统

技术领域

本发明涉及一种用于确定旋转构件的至少一个旋转参数的系统，所述系统包括发射周期性磁信号的编码器以及能够检测所述磁场的旋转传感器。

背景技术

在许多应用中，期望实时地、以最佳的质量获知旋转构件的至少一个旋转参数，比如其位置、速度、加速度或运动方向。

为此，文件WO-2006/064169建议使用编码器，其用来刚性地连接至可运动的构件并且其上形成有磁道，所述磁道能够在包括有多个敏感元件的传感器的读取距离处发射伪正弦磁场。

有利地，每个敏感元件可基于隧道磁电阻(TMR：tunnel magneto resistance)材料包括至少一个模式，所述隧道磁电阻材料的电阻根据检测到的磁场变化，比如，例如，在文件WO-2004/083881中所描述的。

为了根据检测到的磁场的演化确定可运动的构件的运动参数，文件WO-2006/064169提供代表每个敏感元件的电阻的信号的组合，以便传递可用来计算所述参数的正交的且具有相同振幅的两个信号。此外，该解决方案提供对四个信号的二对二式想减，以便获得不具有共同噪声的正交的两个信号。

特别地，编码器包括一系列交替的南极和北极，其沿给定的数量N_pp的极对的读取半径R限定恒定的极宽度

敏感元件以距离

均等地分布，以能够传递正交的信号。

在某些应用中，编码器必须具有小数量(通常小于6)的极对，以使得其极宽度L_p变宽，特别地为大约10毫米。

然而，这些宽的极传递这样的磁信号，该磁信号的正弦性在低读取气隙处较差，需要使敏感元件远离磁道，这不利于所述信号的振幅以及因此敏感元件对其的良好的检测。

另外，宽的极要求编码器的厚度也更大，以便保存磁信号的正弦性和振幅。这不利于以减小的尺寸集成编码器并且使磁化方法复杂，因为必须使更大的厚度磁饱和。

而且，特别地从文件DE-103 09 027获知这样的编码器，该编码器的、在北极与南极之间的磁转变件沿阿基米德螺线延伸，所述螺线中的每一个以相继的旋转角度

分布于所述编码器上。

这种类型的编码器的优点是，极中的每一个的、沿所述编码器的半径的极宽度L_p变得独立于极对的数量N_pp，从而能够相对于待检测的磁信号的正弦性和振幅使小数量的极与敏感元件的适当的定位相协调。

然而，现有技术提议沿这样的编码器的半径定位敏感元件，这具有一定数量的问题。

特别地，为了满足正弦性与振幅之间的折中，将敏感元件布置于距磁道的气隙距离处，所述气隙距离为大约

因此，特别地，为了避免固定的传感器与旋转编码器之间的机械相互作用的风险，极宽度L_p通常必须介于2mm与6mm之间。

然而，为了避免编码器所传递的磁场的边缘效应，敏感元件必须被相对于磁道设置成使得沿径向方向在每一侧上具有至少一对极，亦即除了布置敏感元件所需的径向空间外，每一侧两个L_p。

因此，编码器必须具有显著的高度，其特别地大于6.L_p，该高度在某些集成中可能无法获得。

而且，螺旋编码器在一对磁极上所生成的磁场为基谐波(按照定义完全地为正弦的)与多个奇次谐波(包含通常代表基谐波的5％的三次谐波)的组合。根据传感器的位置以及读取气隙，三次谐波的该比例可为更大的。

为了获得对旋转参数的精确的确定，需要测量至少三次谐波的经滤波的信号。然而，难以产生对谐波所具有的误差的任何固定的补偿，特别地，因为它取决于测量条件(气隙、传感器的位置)。而且，对于大容量的、低成本的应用，校准也难以想象。

发明内容

本发明旨在通过提出特别地一种用于确定旋转构件的至少一个旋转参数的系统而解决现有技术的问题，其中提高了确定的精确度。此外，根据本发明所述的系统提供检测到的磁信号的周期性与振幅之间的折中，而不引起对传递所述信号的编码器的特定的空间约束，以及特别地与具有小数量的极对的磁编码器有关的空间约束。

为此，本发明提出一种用于确定旋转构件的至少一个旋转参数的系统，所述系统包括：

-编码器，其用来与所述旋转构件旋转组合以便与其共同地运动，所述编码器包括其上形成有磁道的主体，所述磁道能够发射代表所述编码器的旋转的周期性磁信号，所述磁道具有由i个转变件分离的交替的北磁极和南磁极，所述转变件中的每一个通过等式

相对于旋转轴线沿限定于极坐标中的阿基米德螺线延伸，N_pp为所述磁道的极对的数量并且L_p为所述极中的每一个的根据所述编码器的半径的极宽度，第i螺线的相对于第一螺线的旋转角度θ_i等于

其中i介于0与2.N_pp-1之间；

-旋转传感器，其能够通过多个磁敏感元件检测所述编码器所发射的周期性磁场，所述磁敏感元件沿所述磁道成角度地分布，以各自传递代表所述编码器的旋转的信号，所述传感器进一步包括用于使两个敏感元件所传递的信号想减的装置，在所述两个敏感元件之间形成有角度γ，其使得：

0.55π<γ.N_pp<0.83π，以2π为模；或者

1.17π<γ.N_pp<1.45π，以2π为模。

附图说明

本发明的其它特征和优点将在参考附图所构成的以下描述中出现，图1示意性地示出根据本发明所述的确定系统，其中特别地示出敏感元件相对于编码器的布置。图2为示出三次谐波的根据敏感元件之间的角度的滤波的曲线。

具体实施方式

参考这些附图，描述一种用于确定旋转构件的相对于固定的结构的至少一个旋转参数的系统。特别地，旋转构件的参数可选自其位置、速度、加速度或者运动方向。

在特定应用中，该系统的使用可与对无刷直流电动马达的控制有关，特别地使得能够获知转子的一对马达极上的、相对于定子的绝对角度位置。

该确定系统包括编码器1，其用来刚性地连接至旋转构件以便与其共同地运动，所述编码器包括其上形成有磁道2的主体，其特别地为环形但是其也可为盘状，磁道2能够发射代表所述编码器的旋转的周期性磁信号。特别地，所发射的磁信号可为正弦的或者伪正弦的，也就是说，具有可由正弦曲线适当地近似表示的至少一个部分。

磁道2具有由i个转变件(transitions)3分离的交替的北磁极和南磁极，所述转变件中的每一个通过等式

相对于旋转轴线沿限定于极坐标(ρ，θ)中的阿基米德螺线延伸，N_pp为磁道2的极对的数量并且L_p为所述极中的每一个的根据编码器1的半径的极宽度，第i螺线的相对于第一螺线的旋转角度θ_i等于

其中i介于0与2.N_pp-1之间。

因此，磁道2传递伪正弦磁信号，其空间周期等于λ＝2.L_p。此外，阿基米德螺线几何形状特别地使得能够独立于磁道2的半径R选择磁道2的极对的数量N_pp以及极宽度L_p。

根据一个实施例，编码器1由磁体形成，在所述磁体上产生多极磁道2。特别地，磁体可由例如由塑性或弹性材料所制成的环形矩阵形成，其中分散有磁性颗粒，包含铁氧体颗粒或者稀土，比如NdFeB。

确定系统包括旋转传感器，其用来刚性地连接至固定的结构，所述传感器能够检测编码器1所发射的周期性磁场。为此，传感器包括多个磁敏感元件4a，4b，其布置于磁道2所传递的磁场的读取气隙处，以便各自传递代表编码器1的旋转的信号。

敏感元件4a，4b中的每一个可特别地选自磁敏传感器。例如，基于霍尔效应、隧道磁电阻(TMR)、各向异性磁电阻(AMR：anisotropic magneto resistance)或者巨磁电阻(GMR：giant magneto resistance)的传感器可测量磁场(垂直或相切于编码器1)或旋转场(由垂直分量和切向分量造成)的分量。

特别地，如在文件WO-2004/083881中所描述的，每一模式通过包括堆叠的参考磁层、绝缘分离层以及对待检测的场敏感的磁层而形成隧道结，所述堆叠的层的电阻为所述磁层的磁化强度的相对取向的函数。

有利地，每一敏感元件4a，4b可包括基于磁阻材料的至少一个模式，所述磁阻材料的电阻根据磁场变化，敏感元件4a、4b可包括单个模式或者串联地连接的一组模式。

替代地，例如，由于霍尔效应元件，可测量编码器1所传递的磁场的单独的垂直分量。单独的垂直场的使用为有利的，因为它的正弦性比切向场更大。

参考图1，传感器包括两组其间形成有角度γ的两个敏感元件4a，4b，所述两组成角度地偏离角度α。为了能够确定旋转构件的旋转参数，所述两组敏感元件4a，4b所传递的SIN、COS信号必须为正交的，也就是说，相位差为90°除以N_pp。

特别地，通过使用这样的正交信号，在传感器中或者在相关联的计算机中，已知的是，例如借助于“查阅表(LUT：Look-Up Table)”或者借助于CORDIC类方法通过对反正切函数的直接计算确定编码器1的角度位置。

在所示实施例中，敏感元件4a，4b沿磁道2成角度地分布，在两组敏感元件4a，4b之间形成角度α，其等于

以

为模的结果。

因此，敏感元件4a，4b的圆周分布使得能够克服编码器1所传递的磁场的边缘效应，使得能够使用具有有限高度h(特别地小于6.L_p)的编码器1。特别地，敏感元件4a，4b可沿磁道2的半径R、特别地附图中的中数半径(median radius)成角度地分布，以便尽可能远离编码器1的边缘。

此外，通过将敏感元件4a，4b布置于距磁道2的读取气隙距离(其为大约

)处，在所检测的信号的正弦性与振幅之间获得良好的折中。特别地，由于极宽度L_p可介于2mm与6mm之间，可获得这种最佳定位，并且这甚至由于编码器1的极对的数量N_pp小于6。

因此，敏感元件4a，4b的圆周布置特别地具有以下优点：

-两个元件4a，4b之间的距离足够大，以便使用便宜的且高度线性的分立的构件(霍尔传感器1D)；

-元件4a，4b的圆周定位公差对传感器的精确度影响很小(因为使其分离的距离较大)；

-两个元件4a，4b沿编码器1的中间半径R定位，元件4a，4b不被边缘效应过多的干扰；

-敏感元件4a，4b的布置不取决于极宽度L_p；

-读取半径R对磁信号的质量的影响非常小。

为了形成每一组敏感元件4a，4b所传递的SIN、COS信号，传感器包括用于使所述一组的两个敏感元件4a，4b所传递的信号V₁、V₂做减法运算的装置。

因此，通过将敏感元件4a，4b分别定位于磁性角度

和

处，

和

使得

等于γ，所传递的信号V₁、V₂可被写为：

ω为旋转速度，对于i＝1，H_i为基谐波的振幅，并且对于i＝3、5、等等，H_i为i-次谐波的振幅。

亦即，使相隔角度γ的两个敏感元件4a，4b所传递的信号V₁、V₂做减法运算被写为：

图2示出三次谐波的根据角度γ的值的滤波。考虑到三次谐波的滤波器在至少3dB被从其值去除而未相对于基谐波的振幅滤波的情况下发挥作用，因此必要的是：

因此，三次谐波的滤波适合于角度γ，其使得

0.55π<γ.N_pp<0.83π，以2π为模；或者

1.17π<γ.N_pp<1.45π，以2π为模。

消除或者至少衰减为了确定旋转参数而处理的SIN、COS信号中的三次谐波有益于所述确定的精确度，而且有益于处理信号的算法，其产生：

-对SIN和COS频道的偏离的消除；

-对SIN和COS频道的振幅的均衡；

-SIN与COS频道之间的相位校正。

最佳地，关于滤波，角度γ使得γ.N_pp大致等于2π/3或4π/3以2π为模的结果，因为三次谐波被因此取消：

然而，该角度γ导致所述两组敏感元件4a，4b所传递的SIN、COS信号的为

的增益，这可能致使所述角度在上述范围内变化，以便优化滤波-增益对。

参考图1，在下文描述一种系统，其特别地适合于控制具有四对极的电动马达，所述系统提供一对马达极上的绝对位置，亦即机械90°。

为此，编码器1包括四对极(N_pp＝4)，多组敏感元件4a、4b在所述多对极中的每一个上传递正交的SIN、COS信号，以使得用于控制马达的计算机或传感器可在90°的角扇形上确定绝对角度位置。

参考图1，传感器包括其间形成有为

的角度γ的两个敏感元件4a，4b，所述多组传感器元件4a，4b之间的角度α为

由于为大约

的读取气隙距离处的信号的良好的正弦性，所述系统可以以精确的方式将转子的一对马达极上的绝对角度位置传递至用于控制马达的计算机，这特别地使得能够实现：

-更好的性能，特别是在起动时，例如达到速度或位置设定点的时间；

-“更平稳的”操作，在稳定状态中不存在转矩跳动；

-更低的能耗；

-更低的操作温度；

-更高的最大转矩。

Claims (10)

1.一种用于确定旋转构件的至少一个旋转参数的确定系统，所述确定系统包括：

-编码器(1)，其用来与所述旋转构件旋转组合以便与其共同地运动，所述编码器包括其上形成有磁道(2)的主体，所述磁道(2)能够发射代表所述编码器的旋转的周期性磁信号，所述磁道具有由i个转变件(3)分离的交替的北磁极和南磁极，所述转变件中的每一个通过等式

相对于旋转轴线沿限定于极坐标中的阿基米德螺线延伸，N_pp为所述磁道(2)的极对的数量， 并且L_p为所述极中的每一个根据所述编码器的半径的极宽度，第i螺线的相对于第一螺线的旋转角度θ_i等于

其中i介于0与2.N_pp-1之间；

-旋转传感器，其能够通过多个磁敏感元件(4a，4b)检测所述编码器所发射的周期性磁场；

所述确定系统的特征在于，所述敏感元件(4a，4b)沿所述磁道(2)成角度地分布，以便各自传递代表所述编码器(1)的旋转的信号，所述旋转传感器进一步包括用于使两个敏感元件(4a，4b)所传递的信号(V₁，V₂)做减法运算的装置，在所述两个敏感元件(4a，4b)之间形成有角度γ，其使得：

0.55π<γ.N_pp<0.83π，以2π为模；或者

1.17π<γ.N_pp<1.45π，以2π为模。

2.根据权利要求1所述的确定系统，其特征在于，所述角度γ使得γ.N_pp大致等于2π/3或4π/3， 以2π为模的结果。

3.根据权利要求1或2所述的确定系统，其特征在于，所述旋转传感器包括两组其间形成有角度γ的两个敏感元件(4a，4b)，以及用于使所述两组中每一组的敏感元件(4a，4b)的信号做减法运算的装置，所述两组成角度地偏离角度α，其被布置成使得所述两组所传递的信号(SIN，COS)正交。

4.根据权利要求3所述的确定系统，其特征在于，形成于所述两组敏感元件(4a，4b)之间的角度α等于

， 以

为模的结果。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的确定系统，其特征在于，所述敏感元件(4a，4b)沿所述磁道(2)的半径R成角度地分布。

6.根据权利要求5所述的确定系统，其特征在于，所述敏感元件(4a，4b)沿所述磁道(2)的中数半径R成角度地分布。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的确定系统，其特征在于，所述编码器(1)具有小于6.L_p的高度。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的确定系统，其特征在于，所述敏感元件(4a，4b)布置于距所述磁道(2)的读取气隙距离处，所述读取气隙距离为大约

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的确定系统，其特征在于，所述编码器(1)的极对的数量N_pp小于6。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的确定系统，其特征在于，所述编码器(1)的极宽度L_p介于2mm与6mm之间。

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