使用磁場的位置測量的製作方法

2023-12-12 11:50:52

專利名稱：使用磁場的位置測量的製作方法
技術領域：
本公開內容涉及使用磁場的位置測量。
背景技術：
線性電機可以用來控制物體的位置和移動。在一些例子中，磁傳感器陣列可以用 來讀取電樞上裝配的磁刻度的圖案，以確定電樞相對於電機轉子的位置。傳感器可以是數 字傳感器(比如霍爾效應開關)、模擬傳感器(比如磁阻或者巨型磁阻傳感器)或者二者的組合。

發明內容
本文獻描述一種可以在寬的溫度範圍內操作的低成本、無接觸、高解析度、長行程 的絕對位置傳感器。位置傳感器測量線性電機電樞的位置，從而控制系統可以恰當地進行 電機換向(電驅動適當電機繞組)並且控制電機使用於其中的更高級系統。在一個方面中，一般而言，一種沿著路徑可移動的構件包括沿著路徑延伸的伸長 磁體，伸長磁體的磁場定向參照路徑成角度；以及傳感器，基於對伸長磁體生成的磁場的測 量來確定構件沿著路徑的位置。實現方式可以包括以下特徵中的一個或者多個特徵。可以通過沿著參照路徑成角 度的方向在物理上放置伸長磁體或者通過沿著參照路徑成相同角度的方向印刷伸長磁體 的磁場定向來實現參照路徑成相同角度的伸長磁體的磁場定向。伸長磁體可以包括第一部 分和第二部分，第一部分具有與第二部分的從北至南的磁方向不同的從北至南的磁方向。 第一和第二部分可以與第一方向平行延伸。第一和第二部分可以具有與第一方向垂直的從 北至南的軸。傳感器可以確定伸長磁體生成的磁場的方向。可以提供用於存儲關於磁場的 方向與構件的位置之間相關性的信息的存儲設備。可以提供用於計算磁場的方向與構件的 位置之間相關性的模塊。傳感器可以基於磁場的測量來確定構件沿著路徑的絕對位置。構 件可以包括電機的電樞。伸長磁體可以包括條狀磁體。在另一方面中，一般而言，一種沿著路徑可移動的構件隨著構件沿著路徑相對於 磁體移動而改變磁體的磁場分布；以及傳感器基於磁場的定向的測量來確定構件在路徑上 的位置。實現方式可以包括以下特徵中的一個或者多個特徵。構件可以包括隨著構件沿著 路徑移動而改變磁場分布的鐵磁元件。鐵磁元件可以包括鋼元件。鐵磁元件可以具有隨著 構件沿著路徑移動而變化的橫截面，橫截面沿著與路徑垂直的平面。構件可以包括定子的 電樞。磁體可以相對於電機的定子固定。在另一方面中，一般而言，一種線性電機包括定子和電樞，電樞沿著路徑相對於 定子移動，電樞包括磁體；以及傳感器，基於對電樞的磁體生成的磁場的測量來確定電樞的 位置。實現方式可以包括以下特徵中的一個或者多個特徵。傳感器可以檢測電樞的磁體之一的磁場。磁體之一可以在電樞的一端。傳感器可以確定磁場的方向。傳感器可以包括 檢測電樞的第一端的第一磁傳感器和檢測電樞的第二端的第二磁傳感器。傳感器可以補償 磁場強度的變化。從包括溫度改變、距離和磁場的組中選擇的因素可以引起磁場強度的變 化。傳感器可以通過使用磁場在第一方向上的第一測量與磁場在第二方向上的第二測量之 比來補償磁場強度。傳感器可以測量磁場在第一方向上的第一測量和磁場在第二方向上的 第二測量。傳感器可以包括用於檢測電樞磁體的磁場的磁傳感器，磁傳感器與定子間隔開。 傳感器可以通過在某一位置測量磁場在第一和第二方向上的幅度來測量第一和第二測量。 第一和第二方向可以包括與路徑垂直的第一方向以及與路徑垂直的第二方向。可以提供用 於存儲關於磁場的方向與移動構件沿著路徑的位置之間相關性的信息的存儲設備。可以提 供用於計算磁場的方向與移動構件沿著路徑的位置之間相關性的模塊。在另一方面中，一般而言，一種主動懸掛系統包括具有定子和電樞的線性電機， 電樞沿著路徑相對於定子移動，電樞包括磁體；傳感器，用於基於對電樞的磁體生成的磁場 的測量來確定電樞的位置；以及控制器，用於基於電樞的位置來控制線性電機。實現方式可以包括以下特徵中的一個或者多個特徵。電樞可以耦合到座位或者輪 子。在另一方面中，一般而言，一種主動懸掛系統包括沿著路徑可移動的構件，構件 包括沿著路徑延伸的伸長磁體，延伸磁體的磁場定向參照路徑成角度。該系統包括傳感 器，用於基於對伸長磁體生成的磁場的測量來確定構件沿著路徑的位置；以及控制器，用於 基於構件的位置來控制構件的移動。實現方式可以包括以下特徵中的一個或者多個特徵。電樞可以耦合到座位或者輪子。在另一方面中，一般而言，一種主動懸掛系統包括磁體和沿著路徑可移動的構件， 該構件隨著構件沿著路徑相對於磁體移動而改變磁體的磁場分布。該系統包括傳感器，用 於基於磁場的定向的測量來確定構件在路徑上的位置；以及控制器，用於基於構件的位置 來控制構件的移動。實現方式可以包括以下特徵中的一個或者多個特徵。該構件可以耦合到座位或者 輪子。在另一方面中，一般而言，來自線性電機的電樞的磁體的磁場相對於定子移動電 樞；以及基於對電樞的磁體生成的磁場的測量來確定電樞的位置。實現方式可以包括以下特徵中的一個或者多個特徵。可以檢測在電樞一端的磁體 之一的磁場。可以確定磁場的方向。確定磁場的方向可以包括確定磁場在第一方向上的第 一測量與磁場在第二方向上的第二測量之比。第一和第二方向可以包括與路徑垂直的第一 方向以及與路徑垂直的第二方向。該方法可以包括將磁傳感器定位於與定子相距一段距離 處並且使用磁傳感器以檢測電樞磁體的磁場，該距離被選擇成減少來自定子生成的磁場的 幹擾。關於磁場的方向與移動構件沿著路徑的位置之間相關性的信息可以存儲於儲存器 中。可以確定在磁場的方向與移動構件沿著路徑的位置之間的相關性。在另一方面中，一般而言，沿著路徑移動構件，該構件包括沿著路徑延伸的伸長磁 體，伸長磁體的磁場定向參照路徑成角度；以及基於對伸長磁體生成的磁場的測量來確定 構件沿著路徑的位置。
實現方式可以包括以下特徵中的一個或者多個特徵。沿著參照路徑成角度的方向 在物理上放置伸長磁體。確定伸長磁體生成的磁場的方向。關於磁場的方向與移動構件沿 著路徑的位置之間相關性的信息可以存儲於儲存器中。可以確定在磁場的方向與移動構件 沿著路徑的位置之間的相關性。可以基於磁場的測量來確定構件沿著路徑的絕對位置。沿 著路徑移動構件可以包括沿著路徑移動電機的電樞。在另一方面中，一般而言，沿著路徑移動構件，並且隨著構件沿著路徑相對於磁體 移動而改變磁體的磁場分布；以及基於磁場的定向的測量來確定構件在路徑上的位置。實現方式可以包括以下特徵中的一個或者多個特徵。沿著路徑移動構件可以包括 移動隨著構件沿著路徑移動而改變磁場分布的鐵磁元件。沿著路徑移動構件可以包括移動 隨著構件沿著路徑移動而改變磁場分布的鋼元件。沿著路徑移動構件可以包括橫截面隨著 構件沿著路徑移動而變化的鐵磁元件，橫截面沿著與路徑垂直的平面。沿著路徑移動構件 可以包括沿著路徑移動電機的電樞。磁體可以維持於相對於電機定子的固定位置。這些和其他方面以及特徵及其組合可以表達為方法、設備、系統、用於執行功能的 裝置、程序產品和其他方式。這些方面和特徵可以具有以下優點中的一個或者多個優點。位置傳感器可以既簡 單又成本低並且可以在精確度要求低的情況下加以組裝。小數目的磁場方向傳感器和磁場 源可以用於各位置傳感器。


圖1是定位系統的示意圖。圖2是定位系統中使用的傳感器的示意圖。圖3A是磁場方向傳感器的圖。圖3B是示出了磁場分量的曲線圖。圖4是示出了定位系統中的磁場分布的圖。圖5和圖6是定位系統的示意圖。圖7是成角度的伸長磁體的示意圖。圖8A和圖8B是傳感器和成角度的磁體的橫截面圖。圖9A和圖9B是示出了磁場分布的圖。圖10是示出了磁場分量與磁體移位位置之間關係的曲線圖。圖IlA是伸長磁體的圖。圖IlB是示出了磁場方向與磁體移位位置之間關係的曲線圖。圖12A和圖12B是定位系統的示意圖。圖12C是定位系統的橫截面圖。圖13A和圖13B是示出了磁場分布的圖。圖14是定位系統的示意圖。圖15是微控制器板的框圖。圖16是代表存儲於校準查找表中的數據的曲線圖。
具體實施例方式參照圖1，在一些實現方式中，定位系統100使用低解析度粗略位置感測和高分辨 率精細位置感測的組合以確定電樞106相對於線性電機102的定子104的準確位置。可 以使用位置傳感器組件120a和120b(統稱為120)來實現精細位置感測。在一個例子中， 位置傳感器組件120a和120b包括提供高解析度相對位置測量的磁場方向傳感器IlOa和 110b(統稱為110)以及提供電樞106的端點的低解析度粗略位置測量的一系列霍爾效應 傳感器122 (參見圖2)。來自場方向傳感器110和霍爾效應傳感器122的輸出由微控制器 322 (參見圖15)處理以確定電樞106的高解析度絕對位置。定子104包括用於傳遞可控電流以生成可控電磁場的布線或者線圈。電樞106包 括用於產生如下磁場的一系列磁體(例如，108a、108b、...，統稱為108)，該磁場與來自定 子線圈的電磁場交互以生成用於移動電樞106的磁力。電樞106的位置和移動由如下外部 控制系統(未示出)控制，該控制系統基於各種信息(例如，電樞106的當前位置)向各種線 圈恰當地施加各種電流。定位系統100的一個特徵在於相同磁體108用於力生成(用於移動 電樞106)和位置測量兩者。這減少定位系統100的成本，因為無需將附加磁體用於位置感測。定位系統100具有許多應用。例如，系統100可以用作車輛的懸掛系統的一部分 以向駕駛員和乘客提供更大舒適度。系統100可以在行進於顛簸道路之時幫助維持車體穩 定並且在激進操控期間保持車體水平。定位系統100也可以用作駕駛員座位懸掛系統的如 下部分，該部分保持駕駛員座位穩定並且使駕駛員與車輛的其他部分的振動隔離。圖1中所示定位系統100使用全行程線性電機102，這意味著電樞106可以延伸到 定子104的任一側(112a或者112b)。在一些例子中，可以使用半行程線性電機。在該情況 下，單個磁場方向傳感器IlOa或者IlOb可以用來確定電樞106在它半行程地行進於定子 104的一側上時的位置。如在本文獻中使用的術語「傳感器」可以根據上下文具有各種含義。例如，傳感器 可以是簡單感測設備，比如霍爾效應傳感器、霍爾效應開關或者磁場方向傳感器。傳感器也 可以是包括處理來自感測設備的信號並且確定電樞的位置的數據處理器的傳感器。參照圖2，位置傳感器組件120包括具有若干霍爾效應傳感器122的電路板。在一 個例子中，霍爾效應傳感器122隔開比電樞磁體108的距離更少的標稱均勻距離。位置傳 感器組件120的電路板位於相對於定子104的固定位置。霍爾效應傳感器122通過感測電 樞106的端磁體108a的近似絕對位置來測量來自電樞磁體108的磁場並且提供電樞106 相對於定子104的低解析度粗略絕對位置。這允許定位系統100確定電樞106相對於定子 104的近似絕對位置。與定子104相距最遠的霍爾效應傳感器122d被定位成使得它可以 在電樞106在它的最遠位置時檢測端磁體108a的磁場。由於在電樞106的各端的端磁體 如108a可以行進至定子104中的不能放置場方向傳感器110的位置，所以霍爾效應傳感器 122放置於線性電機102的兩端，從而可以針對電樞106的整個行程之上的任何位置感測至 少一個端磁體。在一個例子中，各位置傳感器組件(120a和120b)操作時所在的電樞運動 範圍(112a和112b)重疊。範圍112a和112b可以相等或者可以不相等。其他磁傳感器也可以用來檢測電樞磁體108以便進行粗略位置感測，比如基於磁 阻的傳感器。參照圖3A，場方向傳感器110測量磁場的方向130相對於參考方向132A的角度θ 10場方向傳感器110的例子包括可從瑞士的Sentron AG獲得的2SA-10集成2軸霍爾效 應傳感器。場方向傳感器110可以通過測量磁場的兩個正交分量(例如，χ和y分量)之 比來檢測磁場的方向角。場方向傳感器110相干地補償磁場強度的變化，因為這些變化往 往在兩個分量中成比例，因而它們的比值保持基本上相同。參照圖3B，曲線圖156示出了場方向傳感器110檢測的表示為Bx和By的磁場的 兩個分量。各分量Bx和By可以隨著電樞磁體108相對於場方向傳感器110移動而周期地 變化。水平軸代表電樞移動的距離(毫米)，而豎直軸代表Bx和By分量的量值(高斯)。圖4示出了定子線圈生成的電磁場140和電樞磁體108生成的磁場142的分布。 磁場142的方向沿著電樞106的行進方向141周期地變化。每當電樞106行進跨越兩個磁 體108的距離時，磁場142的方向重複。場方向傳感器110可以確定電樞在兩個磁體108 的距離內的位置，由此提供高解析度相對位置感測。由於在電樞各端的端磁體108a可以行 進至定子中的不能放置場方向傳感器110的位置，所以霍爾效應傳感器122位於電機102 的各端，定位成使得對於在電樞106的整個行程內的任何位置在至少一個霍爾效應傳感器 122之下總有磁體。如果場方向傳感器110具有xl度的解析度並且電樞磁體108的節距(節距是指 兩個磁體之間的距離)為P，則精細位置感測的解析度約為p*xl/180。在一些例子中，場方 向傳感器110可以具有0. 07度的解析度，並且電樞磁體108可以具有5mm的節距。這獲得 5mm*0. 07/180 = 0. 0002mm 的解析度。通過組合來自霍爾效應傳感器122 (提供低解析度絕對位置信息)和場方向傳感 器110 (提供高解析度相對位置信息)的測量，可以獲得電樞106相對於定子104的高分辨 率絕對位置。在定位系統100組裝至電機之後進行校準過程。在定位系統100的最終組裝和測 試期間，針對電樞106的多個位置中的各位置記錄霍爾效應傳感器122和場方向傳感器110 的輸出。使用外部校準儀器來測量電樞106的位置。校準的電樞位置以及它們的來自霍爾 效應傳感器122和場方向傳感器110的對應輸出存儲於校準查找表324中(參見圖15)。以 後，當使用定位系統100時，比較從霍爾效應傳感器122和場方向傳感器110獲得的測量與 校準查找表324中的值以確定電樞106的位置。在表值之間插值可以用來獲得不受表324 本身的解析度限制的位置值。校準查找表324允許使用低成本、非校準的傳感器。由於接近製造過程的最終階 段建立查找表324，所以可以增加製造容差。當比較傳感器輸出與校準查找表324時可以補 償在定位系統100的製造和組裝期間定位系統100的傳感器或者其他部分的未對準生成的誤差。場方向傳感器110放置於與定子線圈充分遠離的距離D處，從而場方向傳感器110 不受來自定子線圈的磁場140影響。這一要求與霍爾效應傳感器的位置要求兼容，因此位 置傳感器組件120的相同電路板可以用來保持場方向傳感器110和霍爾效應傳感器122。 磁屏蔽方案也可以用來防止來自電機線圈的場在場方向傳感器110的位置影響電樞磁場。參照圖5，在一些實現方式中，定位系統160使用節距小於電樞磁體108的放置於 電樞106的側部上的一系列附加磁體162以提供精細定位信息。測量小節距磁體162生成 的磁場的方向的場方向傳感器(在圖中受其他部件遮蔽而不可見)可以用來確定電樞106
8的高解析度相對位置。通過組合來自霍爾效應傳感器122和場方向傳感器的測量數據，可 以確定電樞106的高解析度絕對位置。在一些例子中，小節距磁體162包括具有交替極性的離散磁體。在一些例子中，磁 體162可以由具有交替極性區域的條狀磁體製成。離散磁體或者條狀磁體可以放置於鋼襯 板上。圖1的例子將檢測端電樞磁體108a的霍爾效應傳感器122用於粗略位置感測。如 下文所述，可以使用其他粗略位置感測方法。參照圖6，在一些實現方式中，定位系統170將成角度的伸長磁體172(參照電樞 106的運動方向成角度裝配的伸長磁體)用於生成在粗略位置感測中使用的磁場。伸長磁 體172可以類似於在電冰箱磁密封中使用的條狀磁體。伸長磁體172延伸可與電樞106的 行進長度相比的長度，並且因為它參照在一個例子中如圖4中所示基本上水平的運動方向 (141)成角度裝配，所以可以提供方向在與隨著整個行進長度而變化的運動方向垂直的平 面中的磁場分量。磁場方向的改變可以由磁場方向傳感器182(參見圖7)檢測以提供粗略 絕對定位信息。在一些應用中，該絕對位置測量可以針對某些應用提供足夠準確度而無需 任何其他部件用於更精細解析度的測量。參照圖7，在一些例子中，伸長磁體172可以是單極性條狀磁體172，該磁體放置於 鋼襯板173上並且定向成使得伸長磁體172的縱向方向174相對於電樞行進方向176成角 度θ 2。伸長磁體172在第一位置178具有一端186並且在鋼襯板173上的第二位置180 延伸到另一端188。圖8Α是鋼襯板173、傳感器182和伸長磁體172的端186的橫截面圖。圖8Β是鋼 襯板173、傳感器182和伸長磁體172的另一端188的橫截面圖。磁場傳感器182被定位成 使得當在電樞移動方向上查看時，成角度的磁體172的端186位於傳感器182的左下側，並 且條狀磁體172的另一端188位於傳感器182的右下側。隨著電樞106移動，磁場在場方 向傳感器182附近的分布相應地改變。在本說明書中，術語「左」、「右」、「上」、「下」、「水平，，和「豎直」是指圖中的部件的
相對位置。部件可以具有其他位置或者定向。圖9Α示出了伸長磁體172的一極磁化的磁場190的分布。圖9Β示出了伸長磁體 172的兩極磁化的磁場190的分布。鋼襯板173附著到電樞106，而場方向傳感器182位於 相對於定子104的固定位置。當電樞106相對於定子104移動時，成角度的伸長磁體172 相對於傳感器182移動。當電樞106移動它的行程的全長度時，場方向傳感器182從在位 置A改變成相對於磁體172的位置B。傳感器182被定向成檢測磁場190的Bx和By分量。在這一例子中，Bx分量垂直
於電樞106的行進路徑。By分量與電樞106的行進路徑垂直而與磁體172的上表面192正 、-父。圖10是具有曲線202和204的曲線圖200，這些曲線分別代表磁場190的Bx和By 分量的幅度與電樞106的位置的關係。水平軸代表電樞移動的距離(毫米)，並且豎直軸代 表Bx和By分量的量值(高斯)。通過限制用於給定的磁條和鋼襯板設計的附著角，Bx和 By分量的測量組合對於電樞106在整個行程內的各位置而言為唯一的。因此，來自場方向 傳感器182的輸出可以用來確定電樞106的絕對位置。
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參照圖11A，示出了伸長磁體172具有一極。也可以使用具有兩極的伸長磁體210。 伸長磁體210的兩極被定向成具有相反極性以在伸長磁體210在參照電樞行進方向成角度 放置時的長度內提供如場方向傳感器測量的磁場方向的更大改變。參照圖11B，曲線圖220示出了如下曲線222，該曲線代表在磁場方向與成角度的 1極伸長磁體172在χ方向上相對於傳感器182的位置(參見圖8A和圖8B)之間的2D有 限元場關係。曲線224示出了在磁場方向與成角度的2極伸長磁體210在χ方向上相對於 傳感器182的位置之間的關係。在這一例子中，各磁體在χ方向上從_2mm移位成+2mm。曲 線222和224的比較表明針對成角度的2極伸長磁體210的磁場方向改變為成角度的1極 伸長磁體172的磁場方向改變的約兩倍。使用3. 4MG0e條狀磁體來產生曲線圖220中所示關係。磁體172和210被定位成 使得在X方向上從磁體的一端到另一端有4mm移位(例如，在圖9中的位置A與B之間的 距離為4mm)。對於成角度的1極條狀磁體172，磁場方向的改變為69°。通過比較，對於成 角度的2極伸長磁體210，磁場方向的改變為152°。比較成角度的1極和2極伸長磁體，使用成角度的2極伸長磁體210的優點在於 可以獲得更大磁場方向改變。使用成角度的1極伸長磁體172的優點在於對於相同總磁 體尺度，1極條狀磁體172可以生成更強磁場，這可以在測量期間提供更高信噪比。參照圖12A和圖12B，在一些實現方式中，定位系統230通過使用錐形鋼片231以 在電樞106移動時改變磁場的分布來獲得粗略定位信息。圖12B是圖12A的部分235的放 大圖。磁場由一個或者多個永磁體(例如，232和290)生成，並且磁場方向由磁場方向傳感 器238檢測。圖12C是定位系統230的橫截面圖。可以提供一個或者多個鋼部件234，其中一個 或者多個鋼部件234和鋼片232提供高導磁率的路徑。鋼片232可以例如是鋼件240的一部分。鋼件240可以具有附著到支撐件224的 部分242，該支撐件244又耦合到電樞106。鋼片231從支撐件244向外延伸並且具有錐形 形狀，從而鋼片232的一端246比鋼片231的另一端248更窄。鋼片231的部分穿過傳感 器238與磁體290之間的區域296。當電樞106在它的全行程內行進時，鋼片231在區域 296中的部分的寬度改變。由於鋼片231具有高於空氣的導磁率，所以改變鋼片231在區域 296中的部分的寬度改變在場方向傳感器238附近的磁場分布。圖13A和圖13B示出了兩個永磁體232和290在鋼片231在兩個不同位置時的磁 場分布仿真。當鋼片231的較寬端248在區域296中時(如圖13A中所示)，較高密度的磁 通穿過鋼片231。在這一例子中，場方向傳感器238檢測的磁場具有方向292。當鋼片231 的較窄端246在區域296中時(如圖13B中所示)，較低密度的磁通穿過鋼片231。在這一 例子中，場方向傳感器238檢測的磁場具有方向294。這表明當電樞106在它的全行程內行 進時，磁場方向在方向292與294之間改變。可以選擇各種系統參數(比如磁體數目、各磁體的尺寸和位置、輸送通量的鋼部 分的尺寸和形狀以及場方向傳感器238的位置)，從而有允許場方向傳感器238恰當操作的 足夠磁場強度並且在電樞106行進整個行程時有足夠大的磁場方向差異。鋼片231、場方向傳感器238以及磁體232和290可以具有適應各種設計約束(如 對可用空間的限制)的各種位置和定向。
參照圖14，在一些實現方式中，與定位系統230(圖12A)類似的定位系統298使 用與系統230中的鋼片和場方向傳感器相比旋轉90°的鋼片233和場方向傳感器238。隨 著電樞106移動，延伸到場方向傳感器238與一個或者多個磁體290之間的區域316中的 鋼片233的量改變，由此改變在場方向傳感器238附近的磁場分布，這類似於圖12A中的情 形。可以調節定位系統的定向以利用線性電機的開放空間以減少定位系統和線性電機的組 合的總尺寸。參照圖15，在一些實現方式中，定位系統100 (圖1)、160 (圖5)、170 (圖6)、230 (圖 12A)和298(圖14)各自包括用於確定電樞106的位置的微控制器單元(MCU)板320a和 320b。MCU板320a包括如下微控制器322，該微控制器處理來自場方向傳感器IlOa的信號 330a和330b (統稱為326)以及來自位於第一側112a的霍爾效應傳感器122的信號332a、 332b,332c等(統稱為328)。MCU板320b包括如下微控制器322，該微控制器處理來自位 於第二側112b的場方向傳感器IlOb和霍爾效應傳感器122的信號。在一些例子中，單個 MCU可以用來處理來自兩個板320a和320b的場方向傳感器110和霍爾效應傳感器122的 信號。信號330a和330b代表可以用來確定磁場方向或者角度的對磁場的兩個分量的測 量。磁場方向可以用來確定電樞106的高解析度相對位置。信號332a、332b和332c等代 表來自霍爾效應傳感器122的測量並且可以用來確定電樞106的粗略絕對位置。微控制 器322組合信號326和328以確定電樞106相對於定子104的高解析度絕對位置。MCU板 320a和320b進行類似位置測量，但是在電樞106的不同行進部分內，從而針對任何電樞位 置的有效位置測量可用。覆蓋區域的一些重疊可以在電樞的移動需要從一個板的測量區域 向另一個板的測量區域的轉變時提供有效測量。兩個測量區域的大重疊給予的益處在於允 許位置讀數為來自電機的相反端上的各板的有效讀數的平均數。該平均將趨於消除熱膨脹 效果引起的位置誤差並且減少來自隨機電噪聲的誤差。例如，定位系統可以在寬的溫度範 圍內(比如從-40°至+120° )提供準確定位。MCU板320a和320b相互通信，並且如圖所 示，板320a上的MCU具有的附加任務在於確定當前提供有效位置數據的一個或者多個板、 在適當時平均並且向需要數據的外部系統傳達位置測量。在組裝和測試定位系統100之後，進行如下校準過程，在該校準過程中比較來自 場方向傳感器110和霍爾效應傳感器122的測量與測量電樞106的位置的外部校準儀器進 行的測量。校準的測量存儲於校準查找表324中。參照圖16，曲線圖340示出了存儲於校準查找表324中用於在定位系統100 (圖1) 中使用的校準測量。曲線圖340中的各圓對應於查找表324中存儲的測量值。曲線圖340 的水平軸代表電樞106的位置。在這一例子中，電樞106行進120mm，從而代表測量板之一 測量的行進部分。曲線圖340包括兩個數據集。第一數據集342 (由形成鋸齒狀函數的圓代表)包括 從場方向傳感器110獲得的角度測量數據。第一數據集342表明磁場的方向隨著電樞106 的位置而周期地改變。例如，當電樞106從0移動約9mm時，磁場方向從約125°改變成約 359°。當電樞106從約9mm移動約21mm時，磁場方向從約26°改變成約330°等。角度 測量提供相對定位，因為各角度值可以對應於若干可能電樞位置。第二數據集334(由形成階梯狀函數的圓代表)代表如來自霍爾效應傳感器122的輸出所確定的端磁體位置。第二數據集344包括數據子集，各數據子集對應於霍爾效應 傳感器122之一。例如，第一數據子集344a表明當電樞位置在約0至9mm之間時第一霍爾 效應傳感器122a(參見圖2)檢測電樞106的端位置。第二數據子集334b表明當電樞位置 在約9mm至21mm之間時第二霍爾效應傳感器122b檢測電樞106的端位置等等。在已經建立校準查找表324之後，比較來自傳感器的測量與查找表324中的值以 確定電樞106的準確位置。例如，比較來自霍爾效應傳感器122的輸出與第二數據集344 以確定低解析度絕對位置。霍爾效應傳感器信號可以用來確定電樞106位於例如0至9mm 之間還是9mm至21mm之間等。比較來自場方向傳感器110的輸出與第一數據集342以確定高解析度絕對位置。 例如，假設霍爾效應傳感器122表明電樞106在9mm至21mm之間，並且場方向傳感器110 表明磁場的方向具有約247°的角度。傳感器測量匹配查找表342中的數據點346，並且數 據點346表明電樞106在約19mm的位置。存儲於查找表324中的校準測量數目越大，後續位置測量可以越準確。查找表324 可以存儲於非易失性存儲器如快閃記憶體或者電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)中。鑑於非 易失性存儲器的容量，有限數目的校準測量可以存儲於查找表324中。如果磁場角度測量不匹配於查找表324中存儲的值，則插值過程可以用來估計電 樞106的位置。例如，假設場方向傳感器110輸出角度測量X，並且查找表324具有角度值 Xn和Xn+1，其中Xn < X < Xn+1, Xn對應於電樞位置yn，並且χη+1對應於電樞位置yn+1。使用線 性插值，可以確定角度χ以對應於電樞位置y = yn+Δ y，其中Ay=mn· ΔΧ，Δ χ = χ-χη, 並且mn= (yn+「yn)/(Xn+1-Xn)。可以預先計算並且在查找表324中存儲斜率％以便減少MCU 為了進行插值計算而需要的時間。可以通過適當地向點之一加上或者減去360度的偏移來 進行跨越360度繞回不連續點的兩個角度值之間的插值，以有效地消除該繞回不連續點， 然後進行插值。可以預先計算並且在表中存儲這些偏移值以減少插值計算時間。如圖16中可見，磁場角度與電樞位置的關係不連續。這歸因於角度值在數學上限 於0-360度的範圍，從而在降至0度以下或者升至360度以上時造成瞬態改變或者繞回。類 似地，在電樞位置與根據霍爾效應傳感器輸出而確定的粗略位置之間的關係也不連續。為 了增加電樞位置測量準確性，可以在校準查找表324中存儲如下附加數據點，這些數據點 代表在出現不連續點的位置附近使用更小位置增量而進行的測量。雖然已經描述各種實現方式，但是其他實現方式在所附權利要求書的範圍內。例 如，當線性電機(該電機具有有限行程，從而在電機一側上的電樞磁體總是暴露於傳感器) 使用於圖1的定位系統100中時，需要使用僅一個MCU板320。定位系統100、160、170、230 和298可以使用於除了懸掛系統之外的應用(比如確定各種機器如機器人的活動部分的位 置)中。在一些應用中，僅粗略位置感測就可以提供足夠解析度。例如，當定位系統170使 用於無需高精確度的電樞定位的應用中時，僅以成角度的伸長磁體172的效果為基礎的粗 略位置感測可以是足夠的。類似地，當定位系統230使用於無需高精確度的電樞定位的應 用中時，僅以錐形鋼片231的效果為基礎的粗略位置感測可以是足夠的。定位系統的部件可以具有與上述配置和使用材料不同的配置和使用材料。例如， 可以使用各種類型的磁傳感器，比如可從Honeywell公司獲得的磁阻角度傳感器HMC 1501
12或者HMC 1512或者可從Melexis公司獲得的基於霍爾效應的場方向傳感器。可以使用各種 類型的磁體。磁體的北極和南極定向可以不同於上述定向。鋼片231 (圖12A)可以具有各 種形狀。可以使用多於一個鋼片。鋼片231可以替換為導磁率與空氣的導磁率不同的非鋼 材料。存儲查找表324的非易失性存儲器可以內置於微控制器322中或者在微控制器322 外部。 與定位系統170、230和298 —起使用的校準查找表可以不同於曲線圖340代表的 查找表。例如，用於定位系統170的校準查找表可以包括針對各種電樞位置對於成角度的 伸長磁體172生成的磁場的方向的校準測量。用於定位系統230和240的校準查找表可以 包括針對各種電樞位置對於磁體232和290生成的磁場的方向的校準測量。可以在維護定 位系統期間更新和重新校準查找表。
權利要求
一種裝置，包括沿著路徑可移動的構件，所述構件包括沿著所述路徑延伸的伸長磁體，所述伸長磁體的磁場定向參照所述路徑成角度；以及傳感器，用於基於對所述伸長磁體生成的磁場的測量來確定所述構件沿著所述路徑的位置。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中參照所述路徑成角度的所述伸長磁體的磁場定向 通過沿著參照所述路徑成相同角度的方向在物理上放置所述伸長磁體來實現。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中參照所述路徑成角度的所述伸長磁體的磁場定向 通過沿著參照所述路徑成相同角度的方向印刷所述伸長磁體的磁場定向來實現。
4.根據權利要求1所述的裝置，其中所述伸長磁體包括第一部分和第二部分，所述第 一部分具有與所述第二部分的從北至南的磁方向不同的從北至南的磁方向。
5.根據權利要求1所述的裝置，其中所述傳感器確定所述伸長磁體生成的磁場的方向。
6.根據權利要求5所述的裝置，還包括用於存儲關於所述磁場的方向與所述構件的位 置之間相關性的信息的存儲設備。
7.根據權利要求5所述的裝置，還包括用於計算磁場的方向與所述構件的位置之間相 關性的模塊。
8.根據權利要求1所述的裝置，其中所述傳感器基於所述磁場的測量來確定所述構件 沿著所述路徑的絕對位置。
9.根據權利要求1所述的裝置，其中所述構件包括電機的電樞。
10.根據權利要求9所述的裝置，其中所述構件相對於所述電機的定子沿著路徑可移 動，所述傳感器與所述定子間隔開以減少來自所述定子生成的磁場的幹擾。
11.一種裝置，包括磁體；沿著路徑可移動的電機的電樞，所述電樞隨著所述電樞沿著所述路徑相對於所述磁體 移動而改變所述磁體的磁場分布；以及傳感器，用於基於對磁場的定向的測量來確定所述電樞在所述路徑上的位置。
12.根據權利要求11所述的裝置，其中所述電樞包括隨著所述電樞沿著所述路徑移動 而改變磁場分布的鐵磁元件。
13.根據權利要求12所述的裝置，其中所述鐵磁元件具有隨著所述構件沿著所述路徑 移動而變化的橫截面，所述橫截面沿著與所述路徑垂直的平面。
14.根據權利要求11所述的裝置，其中所述磁體相對於所述電機的定子固定。
15.一種主動懸掛系統，包括線性電機，包括定子和電樞，其中所述電樞沿著路徑相對於所述定子可移動；所述電樞包括沿著所述路徑延伸的伸長磁體；以及所述伸長磁體的磁場定向參照所述路徑成角度；傳感器，用於基於對所述伸長磁體生成的磁場的測量來確定所述電樞沿著所述路徑的 位置；以及控制器，用於基於所述電樞的位置來控制所述電樞的移動。
16.根據權利要求15所述的主動懸掛系統，其中所述電樞耦合到座位。
17.一種方法，包括沿著路徑移動構件，所述構件包括沿著所述路徑延伸的伸長磁體，所述伸長磁體的磁 場定向參照所述路徑成角度；以及基於對所述伸長磁體生成的磁場的測量來確定所述構件沿著所述路徑的位置。
18.根據權利要求17所述的方法，包括基於磁場的測量來確定所述構件沿著所述路徑 的絕對位置。
全文摘要
用於車輛底盤的主動懸掛系統的線性電機(102)的位置檢測。長的永磁條(172)相對於移動方向成小角度固定到移動器。在定子側上的霍爾傳感器設備(182)檢測來自永磁條的準確場方向。取而代之，在定子側上的永磁體(232，290)偏置的霍爾傳感器(328)檢測由固定到移動器的長楔形鋼片(231)所產生的場變化。
文檔編號H02K41/03GK101971470SQ200980109156
公開日2011年2月9日 申請日期2009年3月12日 優先權日2008年3月25日
發明者R·F·奧戴 申請人:伯斯有限公司