BRPI0609400A2 - sistema de leitura de posição para trem de acionamento, método de medição de posição de elemento móvel de trem de acionamento, articulação - Google Patents

Abstract

SISTEMA DE LEITURA DE POSIçãO PARA TREM DE ACIONAMENTO, MéTODO DE MEDIçãO DE POSIçãO DE ELEMENTO MóVEL DE TREM DE ACIONAMENTO, ARTICULAçãO. é revelada a leitura de posição de elementos móveis incluindo, mas não limitado a, componentes de máquina. O movimento de um elemento móvel pode produzir movimento de um campo magnético, que pode ser detectado por sensores magnéticos. O movimento e/ou variações de um campo magnético e/ou um fluxo magnético podem ser produzidos por qualquer combinação de um movimento dos sensores, imãs associados ou material magnético associado. Sensores magnéticos podem ser capazes de medir movimento linear ou giratório, ou ambos. Tais sensores podem fornecer indicação de uma mudança de posição incrementada, uma posição absoluta, ou ambas. A leitura de posição absoluta e de posição de alta resolução pode ser produzida para medição de movimento angular e/ou linear. Sensores magnéticos adequados incluem, mas não são limitados a, dispositivos de efeito Hall e/ou elementos magneto-resistivos, e podem incluir sensores magnéticos de multielementos. Meios condicionadores de sinal e/ou meios de controle adequados, tais como eletrónica de controle, podem ser usados para receber sinais de saída dos sensores.

Description

SISTEMA DE LEITURA DE POSIÇÃO PARA TREM DE ACIONAMENTO, MÉTODO DE MEDIÇÃO DE POSIÇÃO DE ELEMENTO MÓVEL DE TREM DE ACIONAMENTO, ARTICULAÇÃO

ANTECEDENTES

Sensores de posição são comumente usados para medir a posição de vários elementos de um sistema mecânico móvel. Tais sistemas freqüentemente incluem um ou mais atuadores, que tipicamente incluem um motor e um trem de acionamento de saida para fornecer o desejado movimento giratório ou linear. Estes atuadores são comumente atuadores eletromagnéticos, piezoelétricos, pneumáticos e hidráulicos. Estes sistemas podem também incluir sensores de realimentação de posição e conjunto de circuitos como parte do sistema atuador associado, e podem ser referidos como sistemas servoatuadores ou servocontroles.

Sensores de posição para sistemas mecânicos medem tipicamente o deslocamento de um elemento de um atuador ou um componente movido por tal elemento1. Em alguns sistemas, sensores magnéticos são usados para ler a posição dos componentes desejados.

Uma classe de sensores do efeito Hall inclui sensores do efeito Hall digital, que tipicamente fornecem uma saida binária que é dependente da presença, ausência, e/ou orientação de um campo magnético. A saida binária, também conhecida como o estado Hall digital, pode ser contada e usada para indicar o movimento do componente de interesse que um ou mais imãs estão acoplados. Deste modo, o movimento e posição de um componente servoatuador de interesse podem ser determinados. Os dispositivos de efeito Hall digital tipicamente incluem um conjunto de circuitos condicionantes de sinal, por exemplo, um inversor Schmitt, para condicionar o sinal de saida de um RED analógico.

Existem limitações com técnicas atuais de posição de leitura com sensores magnéticos. Tais limitações podem ser particularmente marcantes em sistemas mecânicos móveis tendo trens de acionamento complexos. Medição de posição imprecisa pode ocorrer quando sensores magnéticos individuais estão sujeitos a fatores ambientais circundantes tais como variações de temperatura, variações : de campo magnético locais, e interferência eletromagnética ou ruído. Erros de calibração nos sensores podem também produzir ou contribuir para erros na medição de.posição.

Medição de posição, imprecisa pode ocorrer em sistemas mecânicos móveis, incluindo aqueles com trens de acionamento complexos, quando um ou mais sensores magnéticos são usados para medir um elemento mecânico único que está sujeito à folga de engrenagem ou deformação mecânica. Por exemplo, folga de engrenagem e deformação mecânica não são acomodadas em um trem de acionamento complexo por um sensor magnético usado para medir a rotação de um eixo motor de um EMA usado motor principal para o trem de acionamento.

SUMÁRIO

A presente invenção trata das limitações descritas previamente. Aspectos da presente invenção podem ser usados para detectar movimento de elementos móveis incluindo, mas não limitado a, componentes de máquina de sistemas mecânicos móveis. Movimento de um elemento móvel pode produzir movimento e/ou variação de um campo magnético de um magneto em relação a um sensor magnético. Pela leitura do movimento de dois ou mais elementos móveis de um sistema mecânico móvel, a determinação de posição de componentes mecânicos associados é melhorada. O movimento e/ou variações de um campo magnético e/ou um fluxo magnético podem ser produzidos por qualquer combinação de um movimento dos sensores, imãs associados, ou materiais magnéticos associados dispostos entre um sensor e um imã associado. Certos aspectos da presente invenção são direcionados aos sensores magnéticos de multielementos usados para a leitura de posição de elementos móveis, incluindo, mas não limitado a, componentes de máquina. Sensores de multielementos de acordo com a invenção podem ser capazes de medir movimento linear ou giratório ou ambos. O sensor de multielementos pode fornecer indicação de uma mudança de posição incrementada, uma posição absoluta, ou ambas. Certos aspectos da presente invenção fornecem uma combinação de leitura de posição absoluta, e leitura de posição de alta resolução para,medição de posição linear e/ou angular. Pela combinação de^.dois ou mais sensores magnéticos na montagem de uma,máquina móvel, por exemplo, um atuador, funcionalidade de. .medição da posição redundante pode - ser fornecida ou combinada em níveis diferentes de vantagem mecânica na montagem para fornecer uma gama mais ampla de medição de posição, ou resolução de medição mais alta, ou ambas. Sensores magnéticos adequados incluem, mas não são limitados a, dispositivos do .. efeito . Hall e/ou elementos magneto-resistivos. Meios condicionadores de sinal e/ou meios de controle adequados, tais como eletrônica de controle, podem ser usados para receber sinais de saída dos.sensores. 0 movimento de elementos móveis, tais como sistemas mecânicos incluindo atuadores, pode conseqüentemente ser medido e controlado. Sinais de posição podem ser usados em certas modalidades para funções de controle desejadas. Para exemplo não-limitado, sinais de posição obtidos de um ou mais sensores magnéticos de multielementos podem ser usados para controlar a comutação de motores DC sem escova, por exemplo, um motor de um EMA acoplado a um trem de acionamento.

Durante a operação de leitura de posição, um ou mais sensores magnéticos de multielementos podem fornecer sinais elétricos para uma unidade de controle eletrônico, que pode capacitar a unidade de controle eletrônico para controlar uma seqüência de comutação para um motor DC sem escova desejado, por exemplo, um motor EMA.Para tal seqüência de comutação, a unidade de controle eletrônico pode usar um ou mais sinais de posição, cada um de um sensor magnético de multielementos diferente, para controlar correntes de saída para bobinas do estator dentro do motor DC de interesse. Pela comutação das correntes às bobinas do estator em uma seqüência de comutação, as correntes nas bobinas do estator geram campos magnéticos que fornecem torque em um eixo do rotor associado ao estator, fazendo com que o rotor e eixo girem para uma posição desejada relativa ao estator.

Uma modalidade da presente invenção inclui um sistema de leitura de posição para um trem de acionamento tendo uma pluralidade de elementos de acionamento móveis. O sistema inclui uma pluralidade de imãs cada qual corresponde ou é afixado a uma da pluralidade dos elementos de acionamento. O sistema inclui uma pluralidade de sensores magnéticos cada qual é configurado e operável para detectar uma mudança na densidade de fluxo produzida por movimento de um campo magnético produzido por um imã correspondente da pluralidade de imãs. Cada sensor magnético é operável para produzir um sinal de saida correspondente ao movimento do elemento de acionamento móvel correspondente. Meios de controle são operáveis para receber os sinais de saida da pluralidade de sensores magnéticos e combinar os sinais de saida. A pluralidade de imãs pode incluir imãs de múltiplos pólos, tais como imãs de oito pólos. Os sensores magnéticos podem incluir um sensor magnético de multielementos. O meio de controle eletrônico do sistema pode ser operável para fornecer um sinal de controle como uma saída. O sensor magnético de multielementos pode incluir uma pluralidade de elementos magneto-resistíveis. A pluralidade de elementos magneto-resistíveis pode incluir quatro elementos magneto- resistíveis configurados eletricamente em uma configuração ponte. A configuração ponte pode ser uma ponte de Wheatstone.

O sensor magnético de multielementos pode incluir uma pluralidade de elementos de efeito Hall. A pluralidade de elementos de efeito Hall pode incluir elementos de efeito Hall proporcional. A pluralidade de elementos de efeito Hall pode incluir elementos de efeito Hall digital. A pluralidade de elementos de efeito Hall pode incluir quatro elementos de efeito Hall proporcional configurados e dispostos em um IC.

O sistema pode incluir um sensor magnético de alta resolução e uma pluralidade de imãs de alta resolução tendo pólos magnéticos norte e sul alternados dispostos em uma configuração desejada, e a pluralidade de imãs pode ser afixada a um elemento da pluralidade de elementos de acionamento móveis. O sensor magnético de alta resolução pode ser operável para medir variações de campo magnético produzidas pela pluralidade de imãs de alta resolução durante o movimento do elemento móvel. O sistema pode incluir um guia de fluxo magnético dentado adjacente ao sensor magnético de alta resolução e operável para canalizar o fluxo magnético da pluralidade de imãs de alta resolução ao sensor magnético de alta resolução. O sensor magnético de alta resolução pode incluir um elemento magneto-resistivo. O sensor magnético de alta resolução pode incluir um elemento de efeito Hall analógico. O sensor magnético de alta resolução pode incluir um elemento de efeito Hall digital. A configuração desejada pode ser um anel. A configuração desejada pode ser um conjunto linear. O sistema pode incluir um guia de fluxo afixado ao elemento móvel e operável para modular fluxo magnético no sensor magnético. A pluralidade dos elementos do trem de acionamento pode incluir um eixo rotativo, e um ou mais da pluralidade de sensores magnéticos podem incluir um sensor de quadratura magnética. O sensor de quadratura magnética pode incluir dois pares de forquilhas magnéticas adaptadas à circunferência do eixo. O eixo pode incluir uma pluralidade de imãs. Um sensor magnético respectivo pode ser disposto entre extremidades de um par respectivo dos dois pares de forquilhas magnéticas, e o sensor de quadratura magnética pode ser operável para detectar movimento do eixo e para fornecer como uma saída um sinal de quadratura correspondente ao movimento. Os meios de controle podem incluir uma unidade de controle eletrônico operável para receber o sinal de quadratura do sensor de quadratura magnética e para fornecer decodificação de quadratura senoidal para o sinal de quadratura para determinar uma posição do eixo. As forquilhas magnéticas podem incluir um material magnético paramagnético. Os imãs podem incluir um material magnético selecionado do grupo consistindo em ferro, níquel, cobalto, disprósio e gadolinio.

Uma modalidade adicional inclui um método de medir posição de um elemento móvel de um trem de acionamento tendo uma pluralidade de elementos móveis. O método pode incluir a produção de movimento do elemento móvel i da pluralidade de elementos móveis. O movimento de um primeiro campo magnético relativo a um primeiro sensor magnético pode ser produzido pelo movimento do elemento móvel. O movimento de um segundo campo magnético relativo a um segundo sensor magnético pode ser produzido pelo movimento do elemento móvel. Variações nos campos magnéticos podem ser detectadas. Um sinal de saída correspondendo às variações nos campos magnéticos pode ser produzido, e uma posição do elemento móvel pode ser medida. A etapa de produção de movimento de um elemento móvel pode incluir uma etapa de movimentação de um elemento de saída de atuador. A etapa de produção de movimento de um campo magnético pode incluir uma etapa de movimentação de um imã afixado ao elemento móvel. A etapa de produção de movimento de um campo magnético pode incluir uma etapa de movimentação do primeiro sensor magnético. O movimento do campo magnético pode corresponder diretamente ao movimento do dito elemento móvel, neste caso o sinal de saída corresponde a uma posição absoluta do elemento móvel. O movimento do campo magnético pode ser proporcional ao movimento do elemento móvel, neste caso o sinal de saída corresponde a uma posição relativa do dito elemento móvel. O sinal de saída pode ser usado para controlar uma seqüência de comutação de um motor DC sem escova mecanicamente conectado ao primeiro elemento móvel.

Uma modalidade adicional inclui uma articulação que inclui uma pluralidade de estruturas giratórias acopladas uma a outra por conexões pivotáveis. Meios de atuação são acoplados a pares conectados giratoriamente da pluralidade de elementos de estrutura giratória. Os meios de atuação são operáveis para girar cada um dos pares dos elementos de estrutura giratória. A articulação inclui uma pluralidade de primeiros imãs, e cada um é afixado a um respectivo elemento da pluralidade de elementos de estrutura giratória. A articulação inclui uma pluralidade de primeiros sensores magnéticos cada qual é configurado e operável para detectar densidade de fluxo magnético de um campo magnético produzido por um respectivo imã da pluralidade de primeiros imãs, e adicionalmente operáveis para produzir um sinal de saida correspondente ao fluxo magnético detectado. Um ou mais segundos imãs são cada um afixados a um elemento de acionamento secundário que é giratoriamente acoplado a um elemento da pluralidade de elementos de estrutura giratória.

Um ou mais segundos sensores magnéticos são cada qual configurado e operável para detectar densidade de fluxo magnético de um campo magnético produzido por um respectivo imã de um ou mais segundos imãs, e adicionalmente operável para produzir um sinal, de saida correspondente ao fluxo magnético detectado. A articulação inclui meios de controle eletrônico que são operáveis para receber sinais de saida da pluralidade de primeiros sensores magnéticos e um ou mais segundos sensores magnéticos e produzir um sinal de posição de resolução composta.

Os meios de atuação podem incluir um EMA. A pluralidade de primeiros sensores magnéticos pode incluir um sensor magnético de multielementos. 0 sensor magnético de multielementos pode incluir uma pluralidade de elementos magneto-resistivos. A pluralidade de elementos magneto- resistivos pode incluir quatro elementos magneto-resistivos configurados eletricamente em uma configuração ponte. A configuração ponte é uma ponte de Wheatstone. 0 sensor magnético de multielementos pode incluir uma pluralidade de elementos de efeito Hall. A pluralidade de elementos de efeito Hall pode incluir elementos de efeito Hall digital ou proporcional. A pluralidade de elementos de efeito Hall pode incluir quatrp elementos de efeito Hall proporcional configurados e dispostos em um IC. A articulação pode incluir um sensor magnético de alta resolução e uma pluralidade de imãs de alta resolução tendo pólos magnéticos norte e sul alternados dispostos em um anel ao redor da circunferência de um eixo de motor do EMA. 0 sensor magnético de alta resolução pode ser operável para medir variações de campo magnético produzidas pelo movimento da pluralidade de imã de alta resolução enquanto o eixo de.motor EMA gira.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Esta e outras características, aspectos e vantagens da presente invenção serão entendidas melhor quanto a seguinte descrição, reivindicações anexadas, e desenhos acompanhados. Os desenhos não estão necessariamente em escala, ao invés disso, ênfase é colocada na ilustração dos princípios da invenção. Os desenhos incluem as seguintes figuras:

A Figura 1 representa uma vista em perspectiva de uma modalidade da invenção que inclui um EMA.

A Figura 2 inclui as figuras 2A-2B,. que representam uma modalidade da presente invenção incluindo um sensor magnético de multielementos que é configurado para detectar movimento de um imã de dois pólos.

A Figura 3 representa um sensor magnético de multielementos de acordo com uma modalidade da presente invenção.

A Figura 4 representa uma vista lateral de uma modalidade que inclui um EMA e meios de controle eletrônico.

A Figura 5 inclui as figuras 5A-5C, que representam modalidades de sensor magnético de multielementos e configurações de imã de acordo com a presente invenção.

A Figura 6 representa uma modalidade incluindo um motor atuador vedado em um alojamento.

A Figura 7 representa uma modalidade de uma articulação de acordo com a presente invenção.

A Figura 8 representa sensores de posição de alta resolução de acordo com uma modalidade da presente invenção.

A Figura 9 inclui as figuras 9A-9B, que representam vistas superior e lateral, respectivamente, de uma modalidade incluindo um sensor de posição de alta resolução utilizando um guia de fluxo magnético. A Figura 10 representa uma vista em seção transversal de uma modalidade incluindo um sensor de posição absoluta.

A Figura 11 representa uma vista em seção transversal de uma modalidade incluindo um sensor de quadratura magnética.

A Figura 12 inclui as figuras 12A-12C, que representam vistas em perspectiva de modalidades diferentes de um sensor de quadratura de acordo com a presente invenção.

A Figura 13 representa etapas em um método de medir posição de acordo com uma modalidade da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Aspectos da presente invenção podem ser usados para detectar movimento de elementos móveis incluindo, mas não limitado a, componentes da máquina. Modalidades da presente invenção acoplam um ou mais imãs a um elemento móvel, que quando movido pode produzir movimento e/ou variações do campo magnético e/ou um fluxo magnético associado a um ou mais imãs, que pode ser detectado por sensores magnéticos acoplados ao mesmo. O movimento e/ou variações de um campo magnético e/ou um fluxo magnético podem ser produzidos por qualquer combinação de um movimento relativo entre os sensores magnéticos, imãs associados, ou pelo movimento de material magnético associado disposto entre um imã e um sensor magnético correspondente. Sensores magnéticos de acordo com a invenção podem ser capazes de medir movimento linear ou giratório, ou ambos. Tais sensores podem fornecer indicação de uma mudança de uma posição incrementada, uma posição absoluta, ou ambas. Certos aspectos da presente invenção fornecem uma combinação de leitura de posição absoluta e leitura de posição de alta resolução para a medição de posição angular e/ou linear. Pela combinação de dois ou mais sensores magnéticos em uma montagem de máquina móvel, por exemplo, um atuador, a funcionalidade de medição de posição redundante pode ser fornecida ou combinada em niveis diferentes de vantagem mecânica na montagem para fornecer uma gama mais ampla de medição de posição, ou resolução de medição mais alta, ou ambas. Sensores magnéticos adequados incluem, mas não são limitados a, dispositivos de efeito Hall e/ou elementos magneto-resistivos.

Certos aspectos da presente invenção são dirigidos a sensores magnéticos de multielementos usados para leitura de posição de elementos móveis, incluindo mas não limitados a, componentes da máquina. Meios condicionadores de sinal e/ou meios de controle adequados tais como eletrônica de controle, ou controladores eletrônicos, podem ser usados para receber sinais de saida dos sensores. O movimento de elementos móveis, tais como sistemas mecânicos incluindo atuadores, pode conseqüentemente ser medido e controlado. Sinais de posição podem ser usados em certas modalidades para funções de controle desejadas. Para exemplo não limitador, sinais de posição obtidos de um ou mais sensores magnéticos de multielementos podem ser usados para controlar a comutação de motores DC sem escova, por exemplo, um motor de um EMA acoplado a um trem de acionamento.

A figura 1 representa uma vista em perspectiva de uma modalidade preferida 100 que inclui um atuador eletromagnético (EMA) 105. O EMA 105 inclui um conjunto de sensor magnético 102 que inclui sensores magnéticos de multielementos 102a-102c que são configurados e preparados para detectar o movimento de imãs múltiplos 104a-104c, respectivamente, que são afixados a elementos de acionamento móveis 110a-110c do EMA 105. Imãs adequados 104a-104c incluem imãs de multipólos permanentes e/ou configurações de imãs múltiplos. Cada um dos sensores magnéticos 102a-102c é configurado para detectar fluxo ou variações no campo magnético de um imã correspondente 104a-104c. Em certas modalidades, os sensores 102a-102c podem ser incluídos em circuitos integrados (ICs), que podem ser montados em um painel de circuito impresso (PCB) 103. Sinais de saída de sensores magnéticos podem ser usados para leitura de posição de resolução composta dos elementos EMA como descritas em mais detalhes abaixo.

Durante a operação de leitura de posição, um ou mais sensores magnéticos de multielementos tais como 102a-102c podem fornecer sinais elétricos para uma unidade de controle eletrônico (não-mostrada), que pode capacitar a unidade de controle eletrônico a controlar uma seqüência de comutação para um motor DC sem escova desejado, por exemplo, um motor EMA. Para tal seqüência de comutação,a unidade de controle eletrônico pode usar um ou mais sinais de posição, cada um de um sensor magnético de multielementos diferente 102a-102c, para controlar correntes de saída para bobinas do estator dentro do motor DC de interesse. Pela comutação das correntes às bobinas do estator em uma seqüência de comutação, as correntes nas bobinas do estator geram campos magnéticos que produzem torque em um eixo do rotor associado ao estator, fazendo o rotor e o eixo girarem para uma posição desejada relativa ao estator. Em certas modalidades, os sinais de posição recebidos continuamente de um ou mais sensores magnéticos de multielementos podem ser usados pela unidade de controle eletrônico para a comutação de um motor EMA trifásico.

Os elementos de acionamento 110a-110d incluem elementos de acionamento primários 110b-d que recebem força de um motor 106 por meio do eixo do motor 108, e também um elemento de acionamento secundário 110a que não transfere força para um elemento de saída.Os elementos de acionamento primários 110b- d enviam força para um eixo de saída de carga 114 e suporte de saída 118 por meio de uma conexão rosqueada 112 com elemento de acionamento primário 110d. O eixo de saída 114 tem uma direção de movimento indicada pela seta 116. Os elementos de acionamento primários ou secundários podem ser elementos giratórios, por exemplo, eixos, engrenagens, parafusos ou manivelas, ou elementos lineares, por exemplo, parafusos, elos ou cremalheiras. Em certas aplicações, um elemento de acionamento, tal como um elo, pode fazer a translação e rotação em seu movimento.

Em operação do EMA 105, cada imã 104a-104c move-se com o respectivo elemento do trem de acionamento 110a-110c ao qual ele é afixado. Cada sensor magnético 102a-102c detecta movimento do imã correspondente 104a-104c, e portanto também detecta movimento do elemento de acionamento ao qual o respectivo imã é anexado. Sinais elétricos produzidos pelos sensores magnéticos .101a-102c podem ser direcionados e recebidos por meios de controle eletrônico, por exemplo, eletrônica de controle (não-mostrado) para medição de posição de resolução composta descrita em mais detalhes abaixo. Ao ajustar o tamanho, por exemplo, raios, de elementos de acionamento IlO-IlOc, a vantagem mecânica dos elementos de acionamento pode ser mudada. Isto pode produzir um ajuste correspondente aos sinais de saida produzidos pelos sensores magnéticos 102a-102c, com um ajuste similar à medição de posição de resolução composta.

Em algumas modalidades, o posicionamento relativo dos imãs 104a-104c e sensores magnéticos 102a-102c pode ser invertido, nos quais os sensores magnéticos giram em relação aos imãs fixos. Adicionalmente, em certas modalidades, os imãs e sensores magnéticos podem continuar fixos em ralação mútua e o movimento do atuador pode causar o movimento do material magnético que é disposto entre ou colocado perto dos imãs e sensor. Material magnético adequado inclui materiais ferromagnéticos e/ou paramagnéticos, os quais são referidos algumas vezes como materiais magnéticos "macios" e "duros", respectivamente.

A Figura 2 inclui figuras 2A-2B, que representam sensores adequados para a leitura de posição de acordo com uma modalidade 200 da presente invenção. Um sensor magnético de multielementos 202 é configurado e preparado para detectar movimento de um campo magnético 201 de um imã de dois pólos 204 anexado a um elemento de trem de acionamento, por exemplo, um eixo giratório 203. O sensor magnético de multielementos 202 pode incluir HED e/ou elementos magneto- resistivos. O sensor 202 pode ser parte de um circuito integrado (IC) e acondicionado em um conjunto IC, o que pode também incluir eletrônica de condicionamento de sinal adequado. Como está ilustrado na Figura 2A, o sensor magnético de multielementos 202 é configurado e preparado para detectar densidade de fluxo do campo magnético 201 produzido pelo imã de . dois pólos 204. O imã 204 pode ser montado em uma extremidade de um eixo giratório 203, por exemplo, um que é girado por um elemento de máquina de um atuador. Como o eixo 203 move-se em relação a um sensor magnético de multielementos 202, a mesma coisa faz o campo magnético, representado por um fluxo magnético 201, produzido pelo imã 204. As orientações diferentes do campo magnético 201 são detectadas pelo sensor magnético de multielementos 202. A posição relativa e/ou absoluta do .eixo 203 e/ou componentes conectados, ^mecanicamente pode ser medida por meios de controle adequados, tais como eletrônica de controle (não-mostrada), conectada ao sensor -magnético de multielementos 202. Como representados na Figura 2B, sensores magnéticos de multielementos 202a-202d podem ser usados juntos para facilitar a mediação de um campo magnético variando espacialmente e/ou temporalmente e representado pela superfície 201, em certas modalidades. Em modalidades preferidas, um sensor magnético giratório, produto número AS5040, disponível junto à Áustria Micro Systems, é usado para o sensor magnético 202.

A Figura 3 representa um sensor magnético de multielementos 302 para uma leitura de posição de acordo com uma modalidade alternativa 300 da presente invenção. O sensor 302 inclui múltiplos sensores magnéticos magneto-resistivos proporcionais 302a-302d que são eletricamente conectados um ao outro. Os sensores magnéticos proporcionais 302a-302d são configurados e preparados em uma configuração ponte para ler uma densidade de fluxo magnético variável que é causada por um campo magnético em movimento 301. Um suprimento de voltagem 304 supre voltagem aos sensores magnéticos proporcionais 302a-302d. Em certas aplicações, os sensores magnéticos proporcionais 302a-302d podem ser dispostos em uma ponte de Wheatstone, como indicado. Por estar em bastante proximidade entre si e conectados em uma configuração ponte, tal como uma ponte de Wheatstone, os sensores magnéticos proporcionais 302a-302d podem ser autocalibradores e/ou minimizar os efeitos de erro de medição que são produzidos por um sensor único.Para uma configuração ponte na qual cada sensor tem uma resistência que é nominalmente igual, como indicada na figura 3 por R, fatores mecânicos ou ambientais podem produzir pequenas variações em resistência entre os sensores 302-302d, como indicado pelo AR. Tais variações em resistência AR podem também ser produzidas por variações locais no campo magnético detectado 301. Variações de resistência AR entre porções diferentes da configuração ponte produzem corrente em 305, que leva a uma equalização, ou mediação, dos valores de resistência dos sensores magnéticos 302a-302d. Como resultado desta capacidade de autocalibração, os sensores magnéticos proporcionais 302a-302d podem reduzir ou eliminar erros de medição de posição devidos a variações de temperatura, interferência eletromagnética, desalinhamento menor ou movimento de um imã associado, e/ou variação na voltagem aplicada 304.

A Figura 4 representa uma vista lateral de toda a modalidade 400, similar a da Figura 1, que inclui um EMA 405 com imãs, sensores, e meios de controle eletrônico, por exemplo, eletrônica de controle 420a-420b. O EMA 405 inclui um motor 4 06 e eixo de motor 408, que é operável para girar um trem de engrenagem que inclui engrenagens múltiplas 410a- 410d. Em operação, o trem de engrenagem transfere força do motor EMA 406 para um eixo de saida 414 por meio de um parafuso de força 412. Para uma suposta direção de rotação 411a, por exemplo, anti-horário, do eixo do motor, as direções de rotação correspondentes das engrenagens 410a-410c são indicadas pelas setas 411b-411d. É obvio que será entendido que as direções de rotação representadas serão invertidas quando a direção da rotação do eixo de saida do motor for invertida. O eixo de saida 414 tem uma direção de movimento indicada pela seta 416.

A eletrônica de controle 420a-420b está conectada aos sensores magnéticos de multielementos 402a-402c e 402d, respectivamente, por conexões adequadas, tais como conexões elétricas 421a-421b, respectivamente. A eletrônica de controle 420a-420b pode incluir lógica desejada, processamento de sinal e/ou conjunto de circuitos condicionadores de sinal. A eletrônica de controle 420a-420b processa e aplica o(s) sinal(is) recebido(s) dos sensores magnéticos de multielementos 402a-402c e 402d, respectivamente, para fornecer monitoramento útil e/ou funcionalidade de controle. Por exemplo, sinais recebidos dos sensores magnéticos de multielementos 402a-402c e 402d podem ser usados pela eletrônica de controle 420a-420b, respectivamente, para determinar e controlar a posição de um elemento de saida (não-mostrado) acoplado a um eixo de saida 414 de um EMA associado 405. A eletrônica de controle 420a- 420b pode reportar a posição de componentes mecânicos sentidos para eletrônica de níveis mais altos ou locais, por exemplo, um sistema de alarme ou computador de controle. Em algumas modalidades, a eletrônica de controle 420a-420b pode ser uma unidade única.

Em certas situações, um ou mais sensores magnéticos e os imãs correspondentes podem ser posicionados longe de componentes especiais de um conjunto mecânico móvel. Por exemplo, localizar os sensores magnéticos e os imãs correspondentes separados de um motor de um EMA pode fornecer a habilidade de isolar termicamente os sensores de calor produzido pelo motor EMA. Além disso,posicionamento remoto de um sensor pode ser desejável para produzir um ou mais sinais de posição baseados no movimento de um elemento de acionamento particular distanciado do eixo do motor ou outros elementos de acionamento. A habilidade de posicionamento remoto de um ou mais sensores magnéticos pode permitir que sensores sejam colocados em lugares acessíveis ou convenientes para fornecer medição de posição indisponível de outra forma. Precisão de medição de posição por sensores magnéticos pode ser melhorada, em certas modalidades, pela medição de movimento de um elemento de saida de um sistema mecânico, deste modo reduzindo os efeitos prejudiciais da folga de engrenagem mecânica. Em certas modalidades, tal redução dos efeitos da folga de engrenagem pode melhorar a dinâmica de servocontrole.

A Figura 5 inclui as Figuras 5A-5C, que respectivamente representam várias configurações de sensores magnéticos 502a- 502b e imãs 504a-504b para leitura de posição de acordo com as modalidades 500A-500C da presente invenção. A Figura 5A representa uma modalidade 500A que inclui um atuador representativo que inclui um motor 501 e uma haste de saida do atuador 510 acoplada ao motor 501 por um parafuso de acionamento 512 e engrenagens 506 e 508. Um conjunto de suporte da extremidade da haste 514 é conectado a haste de saida 510 para conexão a um elemento móvel. A haste de saida 510 tem uma direção de movimento indicada pela seta 516. O movimento da haste de saida 510 é produzido por um motor principal adequado, por exemplo, motor 501, e a conexão mecânica do parafuso de acionamento 512 acionada pelas engrenagens 506 e 508. As Figuras 5B-5C incluem vistas rotas da EJigura 5A, com configurações diferentes de imã e sensor acopladas a elementos de acionamento secundários do atuador.

Como representado na Figura 5A, um sensor magnético de multielementos 502a pode ser configurado e preparado para detectar a mudança do campo magnético do imã correspondente 504a causada pelo movimento do elemento de acionamento primário 506 ao qual o imã 504a é acoplado. 0 sensor magnético de multielementos 502a é localizado dentro da proximidade magnética de um imã 504a, que na modalidade mostrada na Figura 5A, está afixado no final de um eixo curto anexado ao eixo do motor do motor atuador 501.

Montagens de sensor e imã podem ser configuradas e preparadas para detectar o movimento de não somente elementos de acionamento primário, que transferem força para um elemento de saida, tal como a engrenagem 506, mas também elementos de acionamento secundários que não transferem força para nenhum elemento de saida. Por exemplo, as Figuras 5A-5C representam montagens de sensor e imã diferentes para detectar o movimento de elementos de acionamento secundários diferentes que são mecanicamente conectados à extremidade da haste 510. A figura 5A representa uma configuração de um imã 504b afixado a um elemento de acionamento secundário incluindo uma engrenagem 518a. Um sensor magnético, de multielementos 502b é montado em uma base, por exemplo, um PCB 503b, em proximidade com o imã 504b. O imã 504b é mecanicamente acoplado ou afixado a engrenagem 518a que engraza com uma engrenagem subsidiária 518b. Ambas engrenagens, 518a e 518b, são montadas em suportes (não- mostrados) que permitem a rotação e previnem a translação das engrenagens. A engrenagem subsidiária 518b é girada pelo movimento axial do parafuso de acionamento 520 que é acionado pelo corpo do parafuso 522. O corpo do parafuso de acionamento 522 é conectado ao elemento de saida do atuador 510 por um suporte 524. Enquanto o elemento de saida do atuador 510 se move ao longo de uma direção de movimento, mostrado pela seta 516, o corpo do parafuso de acionamento 522 é movido na mesma direção. Isto faz a translação do parafuso de acionamento 520 que causa a rotação das engrenagens 518b e 518a. O imã 504b que é afixado ou acoplado de outra forma a engrenagem 518a então gira em um eixo geométrico substancialmente paralelo a haste de saida do atuador 510. Sinais de saida dos sensores 502a e 502b podem ser combinados por meios de controle (não-mostrados) para fornecer uma medição de posição de resolução composta de um elemento móvel desejável, por exemplo, haste de saida 510.

Pelo ajuste dos raios de várias engrenagens, a vantagem mecânica dos elementos de acionamento pode ser mudada. Isto pode produzir um ajuste correspondente aos sinais de saída produzidos pelos sensores magnéticos 502a-502b, com um efeito similar na resolução composta em medição de posição. A Figura 5B representa uma outra modalidade 500B de um imã 504b afixado a um elemento de acionamento secundário incluindo um conjunto de braço da manivela e eixo da manivela 518c. O imã 504b é afixado ao.braço da manivela 518c perto ou no eixo geométrico de rotação do conjunto de braço da manivela e eixo da manivela 518c. 0 conjunto de braço da manivela 518c é conectado por uma conexão pivotável 519 ao corpo 522a. O corpo 522a é conectado por um suporte 524 à haste de saida do atuador 510. Enquanto a haste de saida do atuador 510 move-se, indicada pela direção do movimento 516, o braço da manivela 518c e o imã afixado 504b giram em torno do eixo geométrico de rotação, como indicado pela seta 526. Na Figura 5B, a rotação do imã 504b é substancialmente perpendicular à haste de saida do atuador 510. A Figura 5C representa uma outra modalidade 500C de um imã 504b afixado a um elemento de acionamento secundário incluindo um pinhão 518e e um conjunto de cremalheira e pinhão. A cremalheira associada 518d é conectada por um suporte 524 à haste de saida do atuador 510. Enquanto a haste de saida do atuador 510 move-se ao longo de uma gama de movimentos, indicados pela seta 516', a cremalheira 518d faz a translação, também como indicada pela seta 516'. O imã 504b conseqüentemente gira juntamente com o pinhão 518e, como indicado pela seta 526, em torno de um eixo geométrico substancialmente perpendicular ao elemento de saida do atuador 510.

Para certas aplicações, pode ser desejável encerrar motores e outros componentes móveis de sistemas mecânicos móveis, por exemplo, EMAs. Um motor EMA pode ser vedado para inibir vazamento indesejado, por dentro ou por fora, de fluidos; gases, EMI ou campos magnéticos. Um alojamento vedado 610 pode proteger um EMA de um ambiente inóspito. Em certas modalidades, um EMA tendo um motor vedado em um alojamento 610 pode ser imerso em um fluido para operação do motor úmido.

A Figura 6 representa uma modalidade 600 que inclui um motor EMA 608 que é vedado em um alojamento 610. Um imã 604 é afixado a um eixo de motor 606 do motor EMA 608. Um sensor magnético de multielementos 602 é montado em uma base 603, por exemplo, um PCB, do lado de fora do alojamento 610 em proximidade magnética ao imã 604. O alojamento 610 pode incluir janela não-magnética 612 posicionada entre o imã 604 e o sensor magnético de multielementos 602.

Como o campo magnético do imã 604 é desimpedido por materiais não-magnéticos da janela 612, o sensor magnético de multielementos 602 operará através da janela não-magnética 612. Materiais não-magnéticos adequados para a janela 612, incluem, mas não estão limitados a, titânio, certos materiais de cerâmica não-magnéticos, e/ou materiais plásticos. Em certas modalidades de alta velocidade, a janela 612 pode ser feita de um material não eletricamente condutor, por exemplo, materiais cerâmicos não-magnéticos ou material plástico, para evitar a atenuação do campo magnético resultante do campo de neutralização produzido pela corrente de Foucault em um material eletricamente condutor.

Modalidades da presente invenção podem fornecer medição de posição de resolução composta, por exemplo, resolução de dupla velocidade, de elementos móveis. Por exemplo, capacidade de resolução de dupla velocidade pode ser fornecida pelo uso de dois ou mais sensores magnéticos de multielementos para ler o movimento de elementos de trem de força diferentes que suportam movimentos dissimilares. Por exemplo, dois ou mais sensores magnéticos de multielementos podem ser configurados para detectar o movimento, respectivamente, de engrenagens, tendo diâmetros de engrenagens diferentes. Tais engrenagens em um trem de engrenagem movem-se em velocidades diferentes relativas a um componente de máquina associado tal como elemento de saida do atuador.

A Figura 7 representa uma modalidade adicional direcionada para medição de posição de resolução dupla em uma articulação 700. A articulação 700 inclui três elementos de armação giratórios 706a-706c que são conectados um ao outro por meio pivotável. Sensores magnéticos 702a-702f e imãs associados 704a-704f são configurados para medir posição dos elementos de armação 706a-706c durante a operação da articulação 700. Meios de atuação, por exemplo, EMAs 708a- 708c, são conectados mecanicamente,direta ou indiretamente, a um dos três elementos de armação respectivos 706a-706c. Pelo controle dos EMAs 708a-708c, sozinhos ou em combinação, os elementos de armação .706a-706c podem ser girados ao redor de seus respectivos eixos geométricos. Um componente ou dispositivo desejado que é preso pelos elementos de armação 706a-706c pode adequadamente ser orientado em qualquer direção desejada. Sinais produzidos pelos sensores magnéticos de multielementos 702a-702f podem ser usados para ler o movimento da articulação 700 e para controlar a comutação do motor dos EMAs 708a-708c. Meios de controle tais como uma unidade de controle eletrônico (não-mostrada) podem controlar a posição da articulação 700 pela regulagem ou aplicando seletivamente sinais de força a um ou mais dos EMAs 708a- 708c.

Cada elemento de armação pode ser conectado pivotavelmente aos outros por uma ou mais conexões pivotáveis adequadas 709 para que enquanto um motor EMA opera, um dos elementos de armação mova-se em relação ao elemento de armação conectado pivotavelmente. Como configurado na Figura 7, o elemento de armação 706a tem uma conexão pivotável única 709 ao elemento de armação 706c e duas conexões pivotáveis 709 ao elemento de armação 706b. O elemento de armação 706b tem duas conexões pivotáveis 709 ao elemento de armação 706c.

Em certas modalidades, uma conexão pivotável adequada 709 pode incluir um eixo de motor EMA, por exemplo, eixo 708b', que é fixado a um elemento de armação, por exemplo, elemento de armação 706c, com o alojamento do motor associado EMA 708b sendo fixado a um outro elemento de armação, por exemplo, elemento de armação 706b. Embuchamentos e/ou mancais adequados podem ser incluídos em uma conexão pivotável 709 usada em uma articulação 700. Deveria ser entendido que embora a articulação 700 seja representada como tendo três elementos de armação giratórios 706a-706c, uma articulação de acordo com a presente invenção pode ter qualquer número de elementos de armação giratórios desejado, por exemplo, um, dois, ou mais do que três, etc.

Alguns dos imãs 704a, 704d, e 704e, são montados preferivelmente em extremidades de eixos de motor dos EMAs 708a-708c para detectar o movimento entre os elementos de armação associados e os eixos de motor EMA durante o movimento da articulação 700. Sensores magnéticos correspondentes, que podem ser sensores magnéticos de multielementos ou de elemento único, podem ser afixados aos elementos de armação 706a-706c. Quando um imã é montado para um eixo de saida de motor EMA, o sensor magnético correspondente detecta diretamente, por exemplo, com uma razão de 1:1, o movimento do imã do eixo de saida EMA.

Cada elemento de armação giratória 706a-706b da articulação 700 pode ter mais do que um sensor magnético e imã para leitura de posição com uma resolução combinada, por exemplo, velocidade dupla. Por exemplo, em certas modalidades, um ou mais sensores, por exemplo, 702b, 702c, e 702f, detectam movimento dos imãs correspondentes, 702b, 702c, e 702f, que são anexados a elementos do trem de força, 712a-712c, que se movem em velocidades diferentes dos eixos de saida dos respectivos EMAs 708a-708c. Tais configurações podem fornecer resolução composta, por exemplo, resolução dupla, para a leitura de posição de vários elementos de armação da articulação 700. Pelo desenho adequado da geometria da conexão mecânica entre sensores de velocidade mais baixa e velocidade mais alta, um nivel desejado de resolução de medição de posição pode ser fornecido em conjunção com medição de posição absoluta. Para monitorar posição além de um giro de um imã, por exemplo, 704f, um conjunto de circuitos externos pode ser: usado para contar o número de pulsos indicados que indicam o número de giros de um imã. Como descrito previamente, certas modalidades da invenção podem fornecer leitura magnética de alta resolução e leitura magnética de posição absoluta em combinação, por exemplo, em uma ampla gama de movimentos. Por exemplo, pode ser desejável medir a posição absoluta em relação à gama completa do atuador no elemento de saida, e ao mesmo tempo um outro sensor magnético e imã monitoram o movimento de um outro elemento da máquina, por exemplo, o eixo do motor, para fornecer resolução muito mais alta. Tal funcionalidade pode ser desejável para determinar ambas uma alta resolução e posição absoluta e uma gama completa de movimentos de um elemento móvel, por exemplo, um componente mecânico. Em certas modalidades, um ou mais sensores magnéticos, por exemplo, um efeito Hall ou dispositivo magneto-resistivo, pode ser utilizado para leitura de posição de alta resolução. Sensores adequados para medição de posição de alta resolução podem ser configurados para produzir sinais analógicos ou digitais.

A Figura 8 representa uma configuração de sensor e imã adequado de acordo com uma modalidade adicional 800 da presente invenção que inclui dois sensores de posição magnética de alta resolução 802a-802b. Tais sensores de posição de alta resolução podem ser adequados para uso com um sensor de posição absoluta. Cada sensor magnético 802a-802b está em grande proximidade a uma configuração de anel 804 que inclui uma pluralidade de imãs 803 dispostos ao redor do perímetro do anel 804. O anel é afixado ou conectado a um elemento giratório, tal como um eixo de motor atuador ou similar. Pólos norte (N) e sul (S) representativos dos imãs 803 são indicados. Os imãs 803 podem ser imãs individuais dispostos em um eixo ou pólos norte e sul aplicados em um anel sólido de material magnético. Os pólos magnéticos podem ser com espaço apertado, o que pode ser desejável para um sensor do tipo digital, ou os pólos podem ser com espaço largo e sentido em um modo analógico. Em certas modalidades, um par de forquilhas magnéticas 806a-806b podem ser usados para direcionar fluxo magnético para um sensor 802a, como indicado.

A Figura 9 inclui as figuras 9A-9B, que representam vistas superior e lateral, respectivamente, um sensor de posição de alta resolução utilizando um guia de fluxo magnético, de acordo .com uma modalidade adicional 900 da presente invenção. Tais.sensores de alta resolução podem ser desejáveis para medir posição de eixos giratórios, por exemplo, eixos de motor EMA. O guia de fluxo canaliza fluxo magnético de um imã bipolar único 904 para um sensor magnético associado 902. O guia de fluxo inclui um anel de guia magnético dentado 906 configurado ao redor e fixado 'a um eixo 901, que pode ser um motor ou um eixo de trem de acionamento ou similar. O guia de fluxo também inclui uma forquilha de guia dentada 908 configurada e adaptada ao anel de guia dentado 906. Uma peça de forquilha 910 pode ser posicionada para estender do sensor magnético sobre o anel de guia dentado 906 em certas modalidades. À medida que o eixo 901 é girado, o deslocamento do dente do anel de guia dentado 906 relativo aos dentes da forquilha de guia dentada 908 causa variações de fluxo que são detectadas pelo sensor 902. Em certas modalidades, um conjunto de imãs e guia de fluxo dentado podem ser dispostos linearmente para detectar variações de fluxo devido ao movimento linear.

Como descrito acima, certas modalidades da invenção podem incluir uma combinação de um ou mais sensores magnéticos proporcionais para leitura de posição absoluta que são usados em conjunção com um ou mais sensores magnéticos para leitura de posição de alta resolução. A Figura 10 representa um sensor de posição absoluta 1002 de acordo com uma modalidade 1000 da presente invenção. O sensor 1002 é configurado e preparado para detectar densidade de fluxo de um imã associado 1004 para ler o movimento de um elemento mecânico associado, por exemplo, eixo de saída do atuador submetido à translação. 0 sensor pode ser afixado ao elemento da máquina em algumas aplicações. Em outras aplicações, o imã pode ser afixado ao elemento da máquina 1007. O sensor 1002 pode ser um sensor magnético absoluto analógico ou de resolução continua, por exemplo, um dispositivo de efeito Hall ou um elemento magneto-resistivo. 0 fluxo do imã associado 1004 é conduzido para o sensor 1002 por um par de forquilhas magnéticas 1006a-1006b. A translação . do sensor 1002 e as forquilhas permeáveis magneticamente altas 1006a- 1006b em relação ao imã 1004 fazem que a densidade de fluxo no sensor 1002 varie de uma forma detectável.

Em certas modalidades, uma gama de detecção do sensor 1002 cobriria tipicamente a extensão completa do movimento de um elemento móvel associado, por exemplo, um atuador, como indicado pela seta 100.1. O sensor 1002 pode ser ligado mecanicamente à saida de um atuador de um modo que relacione aproximadamente a gama completa do movimento do atuador à gama completa do sensor. 0 sensor 1002 é preferencialmente um dispositivo de efeito Hall único ou elemento magneto- resistivo, embora o sensor 1002 possa ser um sensor magnético de multielementos.

Variações de fluxo no sensor 1002 podem ser conseguidas movendo o imã 104 em relação ao sensor 1002, ou vice versa, sem nenhuma intervenção de guia de fluxo ou forquilhas em certas modalidades. Variações de fluxo no sensor 1002 podem ser detectadas movendo um guia de fluxo de uma forma para canalizar o fluxo mais ou menos para o sensor 1002.

Adicionalmente, um elemento magnético pode ser movido de uma maneira para obscurecer ou atenuar o fluxo magnético que é remetido ao sensor 1002. Isto pode ser feito com um par de imãs e sensor, ou imãs múltiplos (por exemplo, para aumentar a gama ou resolução), ou sensores múltiplos ou um múltiplo de ambos imãs e sensores. Sinais de saida de um sensor 1002 são dirigidos para meios de controle eletrônicos, tais como leitura e eletrônica de controle, como mostrado na Figura 6. Os sinais de saida podem ser usados para um propósito desejado tal como reportar ou controlar posição de um elemento móvel. Em certas modalidades, um sensor de posição absoluta pode ser configurado de uma forma circular ou giratória similarmente a configuração linear descrita em relação à Figura 10. Para um sensor de posição absoluta circular, uma seqüência de leitura pode ser repetida após uma rotação de 360 graus completos. A Figura 11 representa uma vista em seção transversal de um sensor de quadratura magnético 1101 de acordo com uma modalidade adicional 1100 da presente invenção. Tais sensores de quadratura podem ser desejáveis para medir posição de eixos giratórios, por exemplo, eixos de motor EMA. O sensor de quadratura 1101 inclui dois ou mais sensores magnéticos 1102 tais como dispositivos de efeito Hall ou elementos magneto-resistivos (um sensor é omitido por clareza). Um sensor magnético adequado pode ser um sensor de elemento único ou um sensor de multielementos. Cada sensor magnético 1102 é posicionado entre um par de forquilhas 1104a-1104b que são feitas de um material condutivel magneticamente. Cada forquilha 1104a-1104b é adaptada à circunferência de um eixo giratório 1106, que pode ser parte do trem de acionamento de um atuador ou conjunto de máquina móvel. Um imã permanente 1108, ou outro material magnético, é configurado na circunferência do eixo 1106.

Enquanto o eixo 1106 gira, o sensor 1102 detecta o movimento do campo magnético produzido pelo imã 1108. Ao ter um segundo sensor 1102 e par de forquilhas posicionadas 90 graus distantes do primeiro sensor e par de forquilhas ao longo da circunferência do eixo, por exemplo, como representado na Figura 12A, um sinal de quadratura é obtido quando o eixo gira. O sensor de quadratura magnética 1100 fornece a habilidade para autocalibração e redução de ruido de modo comum. O sensor 1100 pode ser usado como um sensor de baixa resolução ou de alta resolução, e pode fornecer leitura de posição relativa ou absoluta. Meios de controle eletrônico (não-mostrados), tais como uma unidade de controle eletrônico, operável para fornecer decodificação de quadratura de onda senoidal, podem ser usados para decodificar os sinais de quadratura. Modalidades incluindo um sensor de quadratura magnética 1100 podem ser desejáveis em aplicações onde o acesso a uma extremidade de um eixo giratório é difícil ou impossível. Alternativamente, o eixo 1106 pode ser magnetizado diametralmente para formar um dipolo magnético para que o ímã 1108 não seja necessário.

A Figura 12 inclui as Figuras 12A-12C, que representam configurações diferentes de um sensor de quadratura 1200 usado para leitura de posição absoluta de acordo com uma modalidade da presente invenção. 0 sensor de quadratura inclui dois sensores magnéticos 1202a-1202b, tais como dispositivos de efeito Hall, dispostos 90 graus separados ao longo da circunferência de um eixo giratório 1206. Cada sensor é localizado entre extremidades de um par de forquilhas que são adaptadas ao eixo. A Figura 12A representa uma vista em perspectiva de uma modalidade incluindo um imã bipolar. A Figura 12B representa uma vista em perspectiva de uma modalidade incluindo um imã de quatro pólos. A Figura 12C representa uma vista em perspectiva de uma modalidade incluindo uma configuração alternada de um imã de quatro pólos.

A Figura 13 representa etapas em um método 1300 de leitura de posição de acordo com a presente invenção. O movimento de um elemento móvel de uma pluralidade de elementos móveis é produzido, como descrito na etapa 1302. A pluralidade de elementos móveis pode, por exemplo, ser parte de um trem de acionamento tal como um trem de acionamento atuador. Tal movimento pode ser produzido por um tipo desejado de motor principal, tais como vários tipos de atuadores incluindo, mas não limitados a, EMAs, atuadores hidráulicos, atuadores pneumáticos, etc. O movimento de um primeiro campo magnético é produzido, como descrito na etapa 1304, relativo a um primeiro sensor magnético pelo movimento do elemento móvel. O movimento do imã, um material paramagnético condutível magneticamente interposto, e/ou o sensor magnético podem causar o movimento do campo magnético. O movimento de um segundo campo magnético é produzido, como descrito na etapa 1306, relativo ao segundo sensor magnético pelo movimento do elemento móvel. O fluxo ou variações nos campos magnéticos é detectado, como descrito na etapa 1308.

Um sinal de saída correspondente às variações nos campos magnéticos é produzido, como descrito na etapa 1310. Uma posição do elemento móvel é medida, como descrita na etapa 1312, e pode ter resolução composta, por exemplo, resolução de dupla velocidade.

O movimento do elemento móvel, como descrito na etapa 1302, pode incluir mover um elemento de saída de atuador. O movimento do campo magnético, como descrito na etapa 1304, pode ser produzido movendo um imã, por exemplo, girando o imã. O movimento do campo magnético, como descrito na etapa 1304, pode ser produzido movendo um sensor magnético de multielementos, por exemplo, girando o sensor. A detecção de variações no campo magnético, como descritas na etapa 1308, pode incluir o uso de um sensor de quadratura magnética. O sinal de saída produzido, como descrito na etapa 1310, pode corresponder a uma posição absoluta e/ou posição relativa do elemento móvel. O sinal de saída pode ser usado para controlar uma seqüência de comutação de um motor DC sem escova conectado mecanicamente ao elemento móvel.

Conseqüentemente, modalidades da presente invenção podem oferecer várias vantagens sobre a técnica prévia. Sensores magnéticos de multielementos de acordo com a presente invenção podem fornecer indicação de ambas: mudança de posição incrementada e posição absoluta. A redundância da funcionalidade do sensor de posição pode ser fornecida pelo uso de dois ou mais sensores magnéticos de multielementos. A redundância pode ser desejável em certas aplicações onde alta confiabilidade é requerida. Modalidades podem ser usadas para ler posição em um dispositivo de atuação ou conjunto de máquina móvel para fornecer uma medição da qual se controle o dispositivo, por exemplo, um servoatuador, e/ou para reportar a posição para eletrônica de níveis mais altos ou locais, por exemplo, um sistema de alarme ou computador de controle. Modalidades podem ser usadas para fornecer, baixo custo, durabilidade, baixo peso, volume pequeno e/ou capacidades de leitura remota para servoatuadores. Modalidades podem incluir atuadores com controle de posição simples, por exemplo, paradas eletrônicas de final de curso.

Certas modalidades podem ser aplicadas a atuadores de superfície de controle aerodinâmico, atuadores de utilidades de avião, e articulações de eixo múltiplo e eixo único e EMAs. Os atuadores podem ser de natureza hidráulica, pneumática ou elétrica. Os motores principais de tais atuadores podem ser de qualquer tipo adequado, por exemplo, motores, pistões, solenóides, ou bobinas de alto falante, e similares. Sensores de posição de multielementos de acordo com certas modalidades como as instaladas em articulações de multieixos e único em modalidades preferidas para reduzir custo e peso enquanto mantêm ou aumentam a precisão de posição sobre tais dispositivos como transformadores diferenciais variáveis giratórios (RVDTs), potenciômetros, e resolvedores.

Além do mais, modalidades da presente invenção podem ser usadas vantajosamente como alternativas para servo- sincronizadores automáticos, resolvedores, RVDTs, transformadores diferenciais variáveis lineares (LVDTs), e potenciômetros. Estes sensores fornecem o mesmo a um custo mais baixo e em pegada do pneumático mais flexível e menor. Para aplicações usando motores DC sem escova estes sensores e eletrônica de controle associados podem ser usados para fornecer a seqüência de comutação necessária. A leitura de posição de alta resolução fornecida por estes sensores permite comutação do tipo de acionamento senoidal que pode reduzir ondulação de torque e melhorar o uso efetivo da capacidade de torque do motor. Modalidades podem fornecer localização remota de um sensor de posição. Leitura de posição remota pode fornecer vantagens incluindo (i) a habilidade de isolar termicamente o sensor, (ii) a habilidade de produzir um sinal de saída que é baseado em um elemento de acionamento particular, e/ou (iii) a habilidade de alocar o sensor em um lugar acessível ou conveniente.

Enquanto a presente invenção for mostrada detalhadamente e descrita com referências a modalidades preferidas da mesma, será entendido por aqueles versados na técnica que várias mudanças em forma e detalhes podem ser feitas nela sem fugir do espírito e âmbito da invenção como foi definido pelas reivindicações anexadas.

Claims (44)

1. Sistema de leitura de posição para trem de acionamento, tendo uma pluralidade de elementos de acionamento móveis, caracterizado por compreender: uma pluralidade de imãs, nos quais cada um da dita pluralidade de imãs é afixado a um elemento correspondente da pluralidade de elementos de acionamento móvel do dito trem de acionamento; uma pluralidade de sensores magnéticos, nos quais cada um da dita pluralidade de sensores magnéticos é configurado e operável para detectar uma mudança na densidade de fluxo magnético produzida pelo movimento de um campo magnético produzido por um imã correspondente da dita pluralidade de imãs e cada um dos ditos sensores magnéticos é operável para produzir um sinal de saída correspondente à dita mudança na densidade de fluxo magnético devido ao movimento de cada elemento de acionamento móvel correspondente; e meios de controle conectados à dita pluralidade de sensores magnéticos, ditos meios de controle sendo operáveis para determinar uma posição de um ou mais elementos da pluralidade de elementos de acionamento móvel como uma função da dita pluralidade de sinais de saída, e nos quais cada uma da dita pluralidade de sinais de saída é um componente de um sinal combinado.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita pluralidade dos imãs compreende imãs de pólos múltiplos.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a dita pluralidade de imãs compreende imãs de oito pólos.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um sensor da dita pluralidade de sensores magnéticos compreende um sensor magnético de multielementos.

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os ditos meios de controle são operáveis para produzir um sinal de controle como uma saída.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o dito sensor magnético de multielementos compreende uma pluralidade de elementos magneto-resistivos.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a dita pluralidade dos elementos magneto-resistivos compreende quatro elementos magneto-resistivos configurados . eletricamente em uma configuração ponte.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a dita configuração ponte é uma ponte de Wheatstone.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o dito sensor magnético de multielementos compreende uma pluralidade de elementos de efeito Hall.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a dita pluralidade de elementos de efeito Hall compreende elementos de efeito Hall proporcional.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a dita pluralidade de elementos de efeito Hall compreende elementos de efeito Hall digital.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a dita pluralidade de elementos de efeito Hall compreende quatro elementos de efeito Hall proporcional configurados e dispostos em um IC.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender um sensor magnético de alta resolução e uma pluralidade de imãs de alta resolução tendo pólos magnéticos norte e sul alternados dispostos em uma primeira configuração,na qual a dita pluralidade de imãs de alta resolução é afixada a um elemento da dita pluralidade de elementos de acionamento móveis, e nos quais o dito sensor magnético de alta resolução é operável para medir variações de campo magnético produzidas por movimento da dita pluralidade de imãs de alta resolução durante o movimento do dito elemento móvel.

14. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por compreender um guia de fluxo magnético dentado adjacente ao dito sensor magnético de alta resolução e operável para canalizar o fluxo magnético da dita pluralidade de imãs de alta resolução para o dito sensor magnético de alta resolução.

15. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o dito sensor magnético de alta resolução compreende um elemento magneto-resistivo.

16. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o dito sensor magnético de alta resolução compreende um elemento de efeito Hall analógico.

17. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o dito sensor magnético de alta resolução compreende um elemento de efeito Hall digital.

18. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a dita primeira configuração é um anel.

19. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a dita primeira configuração é um conjunto linear.

20. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende um guia de fluxo afixado ao dito elemento móvel e operável para modular fluxo magnético de um sensor da dita pluralidade de sensores magnéticos.

21. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita pluralidade de elementos do trem de acionamento inclui um eixo giratório, e no qual um sensor da dita pluralidade de sensores magnéticos compreende um sensor de quadratura magnética incluindo dois pares de forquilhas magnéticas adaptadas à circunferência do dito eixo, no qual o dito eixo inclui uma pluralidade de imãs, e nos quais um sensor magnético respectivo do dito sensor magnético de multielementos é disposto entre e nas extremidades de um respectivo par dos ditos dois pares de forquilhas magnéticas, nas quais o dito sensor de quadratura magnética é operável para detectar movimento do dito eixo e para produzir como uma saída um sinal de quadratura correspondente ao dito movimento.

22. Sistema, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que os ditos meios de controle compreendem uma unidade de controle eletrônico operável para receber o dito sinal de quadratura do dito sensor de quadratura magnético e para fornecer decodificação de quadratura de onda senoidal para o dito sinal de quadratura para determinar Uma posição do dito eixo.

23. Sistema, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que as ditas forquilhas magnéticas compreendem um material magnético paramagnético.

24. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito imã compreende um material magnético selecionado do grupo consistindo em ferro, niquel, cobalto,disprósio e gadolínio.

25. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito meio de controle inclui um controlador eletrônico acoplado a dita pluralidade de sensores magnéticos e operável para receber os ditos sinais de saída a partir do mesmo.

26. Método de medição de posição de elemento móvel de trem de acionamento, tendo uma pluralidade de elementos móveis, caracterizado por compreender as etapas de: produção de movimento de um elemento móvel da dita pluralidade de elementos móveis; produção de movimento de um primeiro campo magnético relativo a um primeiro sensor magnético pelo dito movimento do dito elemento móvel; produção de movimento de um segundo campo magnético relativo a um segundo sensor magnético pelo dito movimento do dito elemento móvel; detecção de variações em ditos campos magnéticos; produção de um sinal de saida correspondente às ditas variações em ditos primeiro e segundo campos magnéticos; e determinação de uma posição do dito elemento móvel como uma função das ditas variações em ditos primeiro e segundo campos magnéticos.

27. Método, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de produção de movimento de um elemento móvel inclui uma etapa de mover um elemento de saída de atuador.

28. Método, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de produção de movimento de um campo magnético compreende uma etapa de mover um imã afixado ao dito elemento móvel.

29. Método, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de produção de movimento de um campo magnético compreende uma etapa de mover o dito primeiro sensor magnético.

30. Método, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que o dito movimento do dito campo magnético corresponde diretamente ao dito movimento do dito elemento móvel, por meio do qual o dito sinal de saída corresponde a uma posição absoluta do dito elemento móvel.

31. Método, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que o dito movimento do dito campo magnético é proporcional ao dito movimento do dito elemento móvel, por meio do qual o dito sinal de saída corresponde a uma posição relativa do dito elemento móvel.

32. Método, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado por compreender o uso do dito sinal de saída para controlar uma seqüência de comutação de um motor DC sem escova conectado mecanicamente ao dito primeiro elemento móvel.

33. Articulação, caracterizada por compreender: uma pluralidade de elementos de armação giratórios rotativamente acoplados um ao outro por conexões pivotáveis; meios de atuação acoplados a pares conectados giratoriamente da dita pluralidade de elementos de armação giratórios, nos quais os ditos meios de atuação são operáveis para girar cada um dos ditos pares de elementos de armação giratórios; uma pluralidade de primeiros imãs, em que cada um é afixado a um respectivo elemento da dita pluralidade de elementos de armação giratórios; uma·pluralidade de primeiros sensores magnéticos, em que cada um é configurado e operável para detectar densidade de fluxo magnético de um campo magnético produzido por um respectivo imã da dita pluralidade de primeiros imãs, e adicionalmente operável para produzir um sinal de saida correspondente ao dito fluxo magnético detectado; um ou mais segundos imãs, em que cada um dos ditos um ou mais segundos imãs é afixado a um elemento de acionamento secundário que é giratoriamente acoplado a um elemento da dita pluralidade de elementos de armação giratórios; um ou mais segundos sensores magnéticos, em que cada um é configurado e operável para detectar densidade de fluxo magnético de um campo magnético produzido por um respectivo imã dos ditos um ou mais segundos imãs, e adicionalmente operáveis para produzir um sinal de saida correspondente ao dito fluxo magnético detectado; e meios de controle eletrônico, conectados à dita pluralidade de primeiros sensores magnéticos e ditos um ou mais segundos sensores magnéticos, em que ditos meios de controle eletrônico são operáveis para produzir um sinal de posição de resolução composta como uma função dos ditos sinais de saida da dita pluralidade do primeiro sensor magnético e ditos sinais de saida dos ditos um ou mais segundos sensores magnéticos.

34. Articulação, de acordo com a reivindicação 33, caracterizada pelo fato de que os ditos meios de atuação compreendem um EMA.

35. Articulação, de acordo com a reivindicação 33, caracterizada pelo fato de que a dita pluralidade de primeiros sensores magnéticos compreende um sensor magnético de multielementos.

36. Articulação, de acordo com a reivindicação 35, caracterizada pelo fato de que o dito sensor magnético de multielementos compreende uma pluralidade de elementos magneto-resistivos.

37. Articulação, de acordo com a reivindicação 36, caracterizada pelo fato de que a dita pluralidade de elementos magneto-resistivos compreende quatro elementos magneto-resistivos configurados eletricamente em uma configuração ponte.

38. Articulação, de acordo com a reivindicação 37, caracterizada pelo fato de que a dita configuração ponte é uma ponte de Wheatstone.

39. Articulação, de acordo com a reivindicação 35, caracterizada pelo fato de que o dito sensor magnético de multielementos compreende uma pluralidade de elementos de efeito Hall.

40. Articulação, de acordo com a reivindicação 39, caracterizada pelo fato de que a dita pluralidade de elementos de efeito Hall compreende elementos de efeito Hall proporcional.

41. Articulação, de acordo com a reivindicação 39, caracterizada pelo fato de que a dita pluralidade de elementos de efeito Hall compreende elementos de efeito Hall digital.

42. Articulação, de acordo com a reivindicação 39, caracterizada pelo fato de que a dita pluralidade de elementos de efeito Hall compreende quatro elementos de efeito Hall proporcional configurados e preparados em um IC.

43. Articulação, de acordo com a reivindicação 34, caracterizada por compreender um sensor magnético de alta resolução e uma pluralidade de imãs de alta resolução tendo pólos magnéticos norte e sul alternados dispostos em um anel em torno da circunferência de um eixo de motor do dito EMA, no qual o dito sensor magnético de alta resolução é operável para medir variações do campo magnético produzidas pela dita pluralidade de imã de alta resolução enquanto o dito eixo de motor EHA gira.

44. Articulação, de acordo com a reivindicação 33, caracterizada pelo fato de que os ditos meios de controle eletrônico incluem um controlador eletrônico operável para receber os ditos sinais de saida.