CN101790673A - 用于自轴承电机的位置反馈 - Google Patents

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Abstract

一种感测机构包括：磁源、磁通传感器、以及上面安装有磁源和磁通传感器的传感器背衬、以及铁磁性目标，其中所述磁源、磁通传感器及铁磁性目标被定位为生成磁路，该磁路从磁源到该目标，再从该目标到传感器，并且穿过传感器背衬回到磁源。

Description

用于自轴承电机的位置反馈
本申请要求于2007年6月27日提交的名称为“POSITIONFEEDBACK FOR SELF BEARING MOTOR(用于自轴承(self bearing)电机的位置反馈)”的美国临时专利申请60/946,686(代理人案号：390P012911-US(-#1))的利益，该申请的全部内容通过引用并入本申请。
本申请案与如下申请相关：于2007年6月27日提交的名称为“COMMUTATION OF AN ELECTROMAGNETIC PROPULSION ANDGUIDANCE SYSTEM”的美国专利申请11/769,688(代理人案号：390-012197-US(PAR))；于2007年6月27日提交的名称为“REDUCED-COMPLEXITY SELF-BEARING BRUSHLESS DCMOTOR”的美国专利申请11/769,651(代理人案号：390-012750-US(PAR))；于2007年6月27日提交的名称为“MOTOR STATOR WITHLIFT CAPABILITY AND REDUCED COGGING CHARACTERISTICS”的美国临时专利申请60/946,693(代理人案号：390P012912-US(-#1))；以及于2007年6月27日提交的名称为“ROBOT DRIVE WITHMAGNETIC SPINDLE BEARINGS”的美国临时专利申请60/946,687(代理人案号：390P012913-US(-#1))，上述所有申请的全部内容均通过引用并入本申请。
技术领域
当前所公开的实施例针对位置确定、尤其是针对为电机提供非接触式、无损性的位置确定。
背景技术
电机系统可能需要对电抗元件(例如转子)的偏心率和取向进行测量，以便保持定子和电抗元件之间的理想间隙以产生理想大小的动力、轴向刚度、以及径向刚度并恰当控制电抗元件的运动。例如，在自轴承电机中，间隙信息通常可以从接近传感器获得，接近传感器可以检测定子与转子之间在不同位置处的间隙。接近传感器常常由可以确定转子相对于定子的取向的其它测量设备(比如位置分解器(position resolver))来加以补充。
在某些应用中，材料必须在受控的清洁气氛中加工，在这种情况下，微观污染物可能是严重问题。在这些应用中，清洁度可能直接关系到成品率，这进而影响成本。其它应用可能包括利用具有强腐蚀性气体和高温的恶劣气氛的加工步骤。由于环境恶劣，具有接触式轴承的电机会磨损、产生颗粒状污染物并最终导致出故障。在出故障以前，轴承还可能表现出不可接受大小的振动和跳动。尽管自轴承电机可以为这些应用提供了可行的替代方案，但是可能不期望的是：为了测量电抗元件的准确位置而利用电缆或其它导体穿透或侵入到所述恶劣环境中。光学技术也可能是不利的，因为这些技术可能需要进入恶劣环境中的“窗口”，这同样可能损害包含该环境的外壳的完整性。
发明内容
将会有利的是：提供具备附接于电机电抗元件(比如转子)的传感器和标尺(scale)的系统，以提供精确的位置及偏心率测量。
将会有利的还有：具有一种传感器系统，其利用磁通密度以便精确测量转子的位置以及精确测量可以附接于电抗元件或与电抗元件集成在一起的标尺。
将会有利的是：具有一种电机反馈系统，其在不使用两种类型的传感器的情况下同时测量转子相对于定子的偏心率和取向。
附图说明
在下面结合附图所作出的描述中说明所公开实施例的前述方面及其它特征，附图：
图1A及1B示出了适于实施所公开实施例的示例性电机的示意图；
图2示出了示例性的机器人传送器，其中可以使用所述示例性的实施例；
图3示出了示例性的基片加工装置，其中可以使用所述示例性的实施例；
图4示出了利用所述示例性实施例的自轴承电机的示意图；
图5示出了根据所公开的实施例的示例性感测机构；
图6示出了图5中的感测机构的磁路等效图；
图7示出了示例性的增量式标尺；
图8示出了另一示例性传感器系统实施例；
图9A及图9B示出了附加的增量式标尺示例性实施例；
图10示出了格雷(Gray)编码图(code pattern)；
图11示出了指示绝对位置的单个标尺的例子；
图12图解说明了示例性的传感器输出变化；
图13示出了多个标尺位于同一直径上的示例性实施例；
图14示出了多传感器系统；
图15示出了适于与所述实施例一起使用的另一示例性传感器系统；
图16示出了一种磁传感器围绕铁磁性元件的示例性布置；
图17示出了驱动部的一部分，其合并有示例性实施例的方面；
图18为根据示例性实施例的反馈系统的示意图；
图19为根据示例性实施例的反馈系统的示意图；
图20A及20B示出了利用多个传感器组来提供转子位移测量的附加实施例；以及
图21示出了使用传感器系统来读取标尺的实施例。
具体实施方式
尽管当前公开的实施例将参考这些附图来说明，但应当理解，所述实施例可以体现为多种可替代形式。还应当理解，除此之外还可使用任意合适尺寸、形状或类型的元件或材料。
本示例性实施例所针对的是提供所期望的精度和重复性的用于电机的位置传感系统。附加实施例包括与电机一起在恶劣或清洁环境下、尤其是在机器人驱动应用中使用的系统，其中转子和定子可以气氛上(atmospherically)相互隔离。
图1A示出了适于实施在此公开的实施例的示例性电机10的示意图。尽管当前公开的实施例将参考这些图来说明，但应当理解，其可以体现为多种可替代形式。还应理解，可以使用任意合适尺寸、形状或类型的元件或材料。
电机10包括：电抗元件11(其在本实施例中为转子形式)、绕组组12、15、以及定子14。图1所示的示例性电机10的实施例被表示为具有旋转配置，但其它实施例可以包括直线配置，这将在下面予以说明。转子11可采用任意合适的结构。转子11可以具有被安装在其上的一个或多个磁源、例如永磁体、电磁体或其它类型的磁源。绕组组12、15可以包括一个或多个绕组，并且可以由电流放大器25驱动，其中该放大器可包括适于驱动绕组组的软件、硬件或软件与硬件的组合。电流放大器25还可以包括用于驱动绕组组的电流回路功能35、换向功能30以及处理器27。换向功能30可以根据一组特定函数给每个绕组组的一个或多个绕组供电，而电流回路功能35可以提供反馈及驱动能力，以便保持电流如所提供的那样经过所述绕组。处理器27、换向功能30及电流回路功能35还可包含如下电路：其用于接收来自提供位置信息的一个或多个传感器或传感器系统的反馈。在此公开的每个电流放大器包括用于执行本公开实施例的功能和计算所需的任意组合形式的电路、硬件或软件。
图1B示出了具有直线配置的另一示例性实施例。电机20包括：电抗元件21(其在本实施例中为压板形式)、绕组组22、24及定子45。类似于图1中的实施例，压板21可以具有被安装在其上的一个或多个磁源、例如永磁体、电磁体或其它类型的磁源。压板21可以以任意合适的方式来构造，并且绕组组22、24可以包括一个或多个绕组。
电机10、20都可利用最小气隙和铁磁性材料，以影响穿过气隙的磁通密度的基本增益，这进而产生期望的轴向刚度及倾斜刚度。这将有利于准确测量电机10、20的电抗元件的位置。
图2示出了示例性的机器人传送器200。该传送器包括：至少一条臂，其具有上臂210、前臂220以及至少一个末端操纵装置(effector)230。末端操纵装置可以可旋转地耦合到前臂，并且前臂可以可旋转地耦合到上臂。上臂可以可旋转地耦合到例如传送装置的驱动部240，该驱动部可以包括一个或多个上述电机10、20。
图3示出了一种合并有示例性实施例的特征的示例性基片加工装置300。在该例中，该加工装置300被表示为具有一般的批量加工工具配置。在可替代的实施例中，该工具可以具有任意所需的布置，例如：该工具可以被配置为执行基片的单步加工。在其它可替代实施例中，所述基片装置可以具有任以所需的类型、例如分类器、储料器、计量工具等。在装置100中所加工的基片215可以是任意合适的基片、包括但不限于：液晶显示板、半导体晶片(比如200mm、300mm、450mm晶片或任意其它所期望直径的基片)、任意其它类型的适于由基片加工装置100加工的基片、空白基片(blank substrate)、或具有类似于基片的特点(比如某些尺寸及特定质量)的物品。
在该实施例中，装置300通常可以具有：前部105，其例如形成微型环境；以及邻近的气氛上可隔离部110，其例如可以被配备为充当真空室。在可替代实施例中，气氛隔离部可以容纳惰性气体(如N2)或其它隔离和/或受控的气氛。
在该示例性实施例中，前部105一般可以具有例如一个或多个基片容纳盒(cassette)115、以及一个类似于图2所示前端机器人臂120。前部105还可以例如具有其它部、比如位于其中的校准器162或缓冲器等。部110可以具有一个或多个加工模块125、以及真空机器人臂130，其中所述真空机器人臂130也可以类似于图2所示的机器人臂。加工模块125可以具有任意类型、如材料沉积、刻蚀、焙烧、抛光、离子注入清洗等等。
可以实现的是，每个模块相对于期望参照系(例如机器人参照系)的位置可以利用控制器170来对准(register)。而且，在基片处于所期望的取向的情况下，一个或多个模块可以对基片195进行加工，其中所述取向例如使用所述基片上的基准点(未示出)而被建立。基片在加工模块中的所期望的取向也可以在控制器170中被对准。真空部110也可以具有一个或多个中间室(被称为加载锁(load lock))。
图3所示实施例可以具有两个加载锁、即加载锁A135和加载锁B140。加载锁A和B用作接口，允许基片在前部105与真空部110之间穿过，而不破坏真空部110中可能存在的任意真空的完整性。基片加工装置100通常包括控制器170，所述控制器170控制基片加工装置100的运行。控制器170具有处理器和存储器178。除上述提及的信息之外，存储器178还包括程序，所述程序包括用于即时基片偏心率和失准检测及校正的技术。存储器178还可以包括：加工参数(比如加工模块或该装置的部105、110的其它部分或位置(station)的温度和/或压力、正在被加工的基片215的时间信息以及所述基片的度量信息)以及用于应用装置或基片星历表数据(ephemeris data)以确定即时基片偏心率的程序，比如算法。
在示例性装置300中，前端机器人臂120(亦称为ATM机器人)可以包括驱动部150及一个或多个臂155。至少一个臂155可以被安装在驱动部150上，该驱动部150可以包括一个或多个类似于上面的图1A及1B的电机的电机。至少一个臂155可以耦合到腕160，该腕160进而耦合到用于容纳一个或多个基片215的一个或多个末端操纵装置165。末端操纵装置165可以可旋转地耦合到腕160。ATM机器人120可以适于将基片传送至前部105内的任意位置。例如，ATM机器人120可以在基片容纳盒115、加载锁A 135及加载锁B 140之间传送基片。ATM机器人120也可以将基片215传送至校准器162，或将其从校准器162中运出。驱动部150可以接收来自控制器170的命令，并且作为响应而引导ATM机器人120的径向运动、圆周运动、提升运动、复合运动及其它运动。
在示例性实施例中，真空机器人臂130可以被安装在部110的中央室175中。控制器170可以运行以使开口180、185循环，并且协调真空机器人臂130的运行，以便在加工模块125、加载锁A135及加载锁B140之间传送基片。真空机器人臂130可以包括驱动部190及一个或多个末端操纵装置195。在其它实施例中，ATM机器人120和真空机器臂130可以是任意合适类型的传送装置、例如SCARA型机器人、关节臂机器人、蛙腿型装置或双对称传送装置。
现在参考图4，示出了自轴承电机400的示意图，该电机例如被用在传送机器人200中的驱动部240中。自轴承电机400包括转子410和定子415。仅仅出于示例性目的而在图4中示出单个转子/定子的组合，并且应当认识到，电机400可以包括任意合适数目的具有任意合适配置的转子。在图4示例性实施例中，定子415可以基本上类似于例如上面的图1所述的定子14。相应地，转子410也可以基本上类似于图1的转子11。转子410可以例如由铁磁性材料构成，并且可以包括永磁体420及铁质背衬(backing)425。
在其它替代实施例中，可以用任意合适的用于与定子相互作用的铁磁性材料(包括其它类型的磁源、例如电磁体)替代永磁体。转子磁体420可以包括围绕转子的外围所安装的具有交替极性的磁体阵列。转子的外围可以是转子的外围内壁或外围外壁。在替代实施例中，磁体420可以被嵌入到转子内。在其它可替代实施例中，磁体420可以位于转子410上或转子410中的任意合适位置处。
定子415可包括绕组组，其中绕组组在被通电时可以旋转地、径向地和/或轴向地驱动转子。在该示例性实施例中，定子415可以由铁磁性材料构成，但在可替代实施例中，定子可以由任意合适材料构成(在非磁性材料定子的情况下，磁性材料可以被包含在定子之内，以提供被动悬浮)。定子415与转子磁体420间的相互作用可以产生在箭头430方向上的被动力，该被动力使转子410被动地悬浮。由于例如箭头440、445方向上的磁通线435而产生径向力或吸引力。这些吸引力可产生一种不稳定状况，使得绕组可以被通电以主动地对转子径向地定心和/或定位，以便保持转子的几何中心/旋转轴处于理想位置。
应当注意的是，在图4示例性实施例中，壁450将转子410同定子415相隔离，其中该壁450允许转子410在与定子415不同的环境、例如真空环境中运行。壁450可以由非磁性材料构成，由此允许磁力横穿转子410和定子415间的壁。
现在转到图5，将解释根据公开的实施例的感测机构500的原理。图5的实施例示出了铁磁性目标(target)、例如铁磁性背衬510。铁磁性背衬可以附接于电抗电机元件、例如转子505。转子505可以具有一个或多个永磁体515。转子505可以被封入室525内，该室525能够支持与该室外的环境不同的环境、例如真空、高温或腐蚀性气氛。室525可由非磁性材料构成。转子505可以被位于室525外的一个或多个线圈520驱动。
感测机构500包括具有磁源530的读取头545和安装在传感器背衬550上的传感器540。在该实施例中，感测机构实施由如下项目形成的磁路或通量回路路径：磁源530、磁源530与铁磁性目标(其在该实施例中为转子背衬510)之间的气隙555、穿过转子背衬510的路径560、穿过气隙535至传感器540再经由传感器背衬550返回磁源530的返回路径。磁通回路路径是连续闭合的，并且传感器540能够确定磁通密度，其中除其它因素外，该磁通密度取决于磁源530与转子背衬510间的距离。在至少一个实施例中，传感器540有如下的输出，其使磁通密度与磁源和铁磁性目标之间的距离唯一地相关。磁源530可以包括一个或多个永磁体、电磁体或其它任意合适的磁源。传感器540可以包括一个或多个磁通传感器、比如霍尔效应传感器、磁阻传感器或其它任意类型的适于感测磁通的传感器。
图6示出了图5中的传感器机构的磁路等效图。磁源530由恒定磁通源Φr及并联的磁源磁阻Rm来表示。磁通密度Φ取决于：从磁源530至转子背衬510的气隙555结合从转子背衬510至传感器540的气隙535的磁阻(被表示为2Rg)、磁源磁阻Rm、转子背衬的磁阻Rt、以及传感器背衬磁阻Rb。磁源磁阻Rm、转子背衬的磁阻Rt、以及传感器背衬的磁阻Rb可以相对恒定。气隙磁阻2Rg直接取决于磁源530与转子背衬510之间的距离以及转子背衬510与传感器540之间的距离，并且由此可以随着这些距离变化而唯一地与这些距离相关。因此，转子背衬沿距离535、555的位置可以在不侵入室525且在室525内无感测设备的情况下被确定。
仍参考图5中的示例性实施例，在转子505上可以限定两个标尺，以便在以所期望的分辨率水平确定转子位置。标尺可以被定位和构造为导致由传感器540确定的磁通密度变化。然后，传感器输出可以根据该标尺的影响传感器的特定部分而变化，由此提供位置指标。例如，第一标尺可以利用信号内插法提供高分辨率增量位置，而第二标尺可以在第一增量标尺的一个循环内提供转子505的绝对位置。
图7示出了示例性增量标尺705。图7示出了在室(例如室525)的壁730一侧的与增量标尺705相互作用的传感器系统720、725。尽管为简化起见，在该示例中被表示为线性标尺，但是应当理解，上面讨论的增量标尺和绝对标尺均可以具有旋转配置。增量标尺705可以包括具有规则间隔的齿距715的轮廓710。其它常规的图案(pattern)也可以应于增量标尺上，只要这些图案适于指示沿标尺的增量位置。增量标尺705可以由合适材料机器加工而成，并且被刚性地应用于转子505。在其它实施例中，标尺705可以模压进转子505中、机器加工进转子505中或者以其它方式与转子505集成。传感器系统720、725各自分别包括传感器740、755并且各自分别包括磁源745、765。传感器740、755可以提供模拟或数字输出。在该实施例中，传感器系统720、725被定位为使得传感器系统(例如传感器系统720)的传感器740及磁源745相对于增量标尺705的齿距而言处于同一位置。换言之，同一传感器系统720的相应传感器740与磁源745之间的中心距离750可以被设置成近似为整数个增量标尺705的齿距数目715。传感器系统720、725可以位于彼此相距分数倍增量标尺齿距距离13，使得它们的输出由于沿传感器路径上气隙磁阻的不同而可以例如异相90度。
在至少一个实施例中，传感器740、755可提供正弦/余弦形模拟信号作为输出。在某些实施例中，传感器740、755的组合输出可以包括正交计数。结果，增量位置可以被确定为正弦波的正交计数加上特定正弦周期内的插值位置。实际分辨率可能取决于用于使模拟输出数字化的模数转换器的位数以及存在于输出中的噪声水平。尽管每个传感器和磁源被定向为沿着平行于标尺的齿距的线、或者被定向为平行于被用于指示沿图7中的标尺的增量位置的图案的齿距的线，但是还构思有传感器和磁源的其它取向。
图8示出了另一示例性传感器系统实施例，该图描述了传感器系统820以及被定位在室830中的具有增量标尺835的转子825。在图8中，传感器系统820的磁源810及传感器815被定向为沿着如下线：其垂直于用于指示沿标尺的增量位置的图案的齿距。因此，传感器和源都面对着标尺上的图案的同一部分。
图9A及9B示出了具有不同增量标尺位置的示例性实施例。在图9A实施例中，增量标尺905被设置为同转子910分离，因此不依赖于转子直径。在一些实施例中，增量标尺905可以通过轴或其它设备915直接耦合到转子910。在其它实施例中，增量标尺905可以使用任意合适的间接耦合设备或方法间接耦合到转子910。在图9B中，增量标尺925被集成到转子930的内径中。应当注意是，可以通过合理确定转子背衬厚度与高度的尺寸来使转子磁体与增量标尺磁绝缘。
如上面所提到的那样，可以在转子上限定两个标尺、即增量标尺和绝对位置标尺，以测量定位。在至少一个实施例中，绝对位置标尺可以包括为了唯一地确定转子位置所需的附加位置信息。绝对位置编码器通常能够在没有任何参照运动的情况下提供唯一的位置。一般来说，这样的编码器可能需要数个标尺，其中每个标尺都可以被独立的传感器系统读取。标尺的数目可以决定绝对位置编码器的位数并且因此决定其分辨率。在使用数字绝对位置标尺的实施例中，数字绝对位置可以被多个独立的传感器来读取，其中所述传感器各自面对其相应的标尺。每个传感器可以提供限定数字位置的字(word)的一个相应位的状态。图10示出了图案1005的经典示例，图案1005被称为具有5位的格雷码。图案1005的每行包括指示绝对位置的5位字(5bit word)，其中在该实施例中，绝对位置被表达为角度位置(以度为单位)。S4表示每个5位字的最高有效位，并且每个字与下个字仅有一个单个位不同，这是格雷码序列的特征。
绝对位置可通过利用附接于转子的单个数字标尺而获得。为读取绝对数字位置，一组传感器可以被放置为面对绝对轨道(track)，彼此具有特定间距。传感器数目可以确定绝对位置的位数。单标尺设计的使用是有利的，因为它允许更小的设计足迹。单个标尺的位图案序列也可以具有格雷码的形式、即一次只改变一位。
图11示出了用于指示绝对位置的单个标尺1105的例子。单个标尺1105具有模拟图10中针对S4所示的图案的图案。通过将5个传感器SO 1110、S1 1115、S2 1120、S3 1125、S4 1130围绕标尺1105安放在特定位置中，传感器在该图案旋转时生成图10的序列，由此生成对所附接的转子的绝对位置指示。重要的是要理解，标尺可以被构造为其使用适于提供所期望的位置分辨率的任意数目的位。单个绝对标尺可与增量式标尺(例如图11中的1135和增量标尺传感器1140)组合使用。
在其它实施例中，可以单单使用图11的单个绝对标尺1105来同时产生数字绝对位置和在数字绝对位置的分辨率内的插值增量位置。如上面所提到的那样，磁传感器能够提供数字或模拟输出。在磁传感器能够提供模拟输出实施例中，可以通过设置用于确定图案的位何时改变的阈值来从模拟输出信号中生成绝对位置标尺的数字输出图案。同时，改变的信号的模拟值可以被测量，改变的模拟值可以被用于利用单个绝对标度所提供的分辨率以外的附加的分辨率来确定位置。例如，可以使用数字信号处理器来测量传感器的输出，感测根据所设置阈值的传感器数字输出、以及经历单个数位改变的传感器瞬时模拟输出二者。所述瞬时模拟输出可以用于生成当前数字绝对位置与下一数字绝对位置之间的插值位置。
图12图解说明了由图10及11中的传感器S2所输出的示例性变化，其中如图10所示，转子在12至24度之间转变。在图12中，插值位置由角度θ表示，并且模拟传感器输出由参数V表示。因为这是格雷码标尺，因此只有传感器S2将改变其状态(在该情况下从高到低)。插值位置θ可以从输出V被确定为：
θ = V max - V V max Δ
因此，在给定图12的位置指示的情况下的转子总绝对位置为：
θABS＝120+θ
插值位置θ的分辨率取决于转换功能(例如用于对信号V采样的A/D转换器)的可用的分辨率。用于表达绝对位置总位数的一种表示可以是传感器数目加上AD转换器位数的和：
NABS＝NSensors+NAD
例如，针对使用图11的传感器的在图10中所示的序列以及12位AD转换器而言，表达绝对位置的总位数将为17，由此获得与仅使用图10中的5位格雷码序列相比明显的分辨率改善。
图13示出了多个标尺位于同一直径上的示例性实施例。该示例中，绝对标尺1305、间隙标尺1310及增量标尺1315在轴向上彼此偏移。在至少一个实施例中，通过如下方式来消除间隙标尺：酌情将增量标尺的上表面1320或者下表面1325识别为间隙表面，并且使用在此所述的磁阻测量技术来测量该处的间隙。在其它实施例中，绝对标尺1305的上表面1330或下表面1335也可以用于使用上述技术来测量间隙，以消除对单独的间隙标尺的需求。在该实施例中，标尺位于转子1345的内表面，其中转子具有多个磁体1350。背衬1340起作用以绝缘与标尺相关联的磁传感器系统使其不受转子磁体1350的影响。
图14示出了多传感器系统，其中该系统可以使用例如图13所示的多个标尺的布置。图14示出了转子1405，其具有铁磁性背衬1410以及一个或多个永磁体1415。转子可以被封入室1425内，该室能够支持与室外不同的环境、例如真空、高温或腐蚀性气氛。室1425可以由非磁性材料构成。转子1405可以被位于室1425外的一个或多个线圈1420驱动。
在该实施例中，三个标尺、即绝对标尺1430、间隙标尺1435及增量标尺1440附接于转子1405或与转子1405相集成。每个标尺可以与一个或多个传感器系统相关联。该实施例包括：绝对传感器系统1445，其用于读取绝对标尺1430；间隙传感器系统1450，其用于读取间隙标尺1435；以及增量传感器系统1455，其用于读取增量标尺1440。传感器系统1450、1450及1455中的每个均可以包括任意数目的上述源和传感器。如上面所提到的那样，间隙标尺1435可以被组合或叠加在任何其它标尺上。当被组合或叠加时，可以使用间隙传感器系统1450继续读取间隙标尺，或者由与间隙标尺相组合或叠加的标尺的传感器系统来读取间隙标尺。应该理解，尽管本实施例示出了三个标尺及三个传感器系统，但是任意合适数目的标尺和传感器系统均可以被使用。
在该实施例中，多传感器系统也可以包括耦合到绝对、增量及间隙传感器系统的电路1460。该电路可以根据绝对、增量及间隙传感器系统的输出的组合来提供指示电抗电机元件的所测位置的输出。
图15示出了适于与在此所述实施例一起使用的示例性传感器系统1500。传感器系统1500可以使用磁路原理(与例如与上述磁路原理相类似的磁路原理)来确定从铁磁性目标1555(例如转子背衬)至传感器的系统参照系的距离。铁磁性目标1555可以为平面、曲面，或具有任意附接的、嵌入的、或者以其他方式集成到该目标的机器加工的轮廓、例如上述标尺。传感器系统1500可以包括铁磁性元件1505、磁源1510(例如永磁体)、多个磁传感器1515、1520、1525、1530及调节电路1535。铁磁性元件1505可以限制(circumscribe)磁源1510。在其它实施例中，铁磁性元件1505可以环绕甚至封住(enclose)磁源1510。在至少一个示例性实施例中，铁磁性元件1505可以为具有封闭端1565及开口端1570的杯形。磁源1510可以具有圆柱体的形状，其中磁化方向平行于铁磁性元件1505的对称轴。磁源1510可以为永磁体、电磁体或其它任意合适的具有磁能的源。磁源1510通过吸引力而在铁磁性元件内附接于铁磁性元件1505的中心，并且使用合适的紧固件(例如粘合剂)而被固定在适当位置处。在至少一个实施例中，传感器系统1500可被定向为使得杯的开口面1570面对铁磁性目标1555。
图15所示的实施例在铁磁性元件1505与磁源1510之间建立磁路，使得磁通密度关于杯的轴或者磁源1510与铁磁性元件1505间的任意同心圆周的轴对称。铁磁性元件1505的形状影响磁场形状。在铁磁性元件1505为杯形的实施例中，磁场相对受限，这导致对到铁磁性目标的距离1560的变化的灵敏度增加。铁磁性元件1505可以具有适于创建具有特殊形状的磁场的形状。在一些实施例中，铁磁性元件1505还可以被成形为提供对传感器系统1500与铁磁性目标1555之间距离的变化的特定灵敏度。
磁传感器1515、1520、1525、1530可以运行以感测磁通密度，并且可以以轨道配置放置，距铁磁性元件1505的对称轴恒定径向距离。磁传感器也可以被定位为使得它们的输出近似相同。尽管示出了4个磁传感器，但是应了理解，可以使用任意合适数目的磁传感器。磁传感器1515、1520、1525、1530的输出可以被提供给调节电路1535。调节电路1535可以包括用于处理传感器输出的信号处理电路，以例如提供补偿、滤波、降噪或其它任意合适的信号处理。通常，传感器输出信号可以被处理以提供传感器输出1550。附加传感器的使用可以提高系统的抗扰性。铁磁性元件1505也可以用作磁传感器的隔磁箱，以使来自周围环境的外部磁干扰最小化。传感器系统1500因此被配置为测量由磁传感器所检测的磁通密度矢量的改变。具体来说，传感器系统1500可以测量由于铁磁性目标1555的存在所造成的磁通密度矢量的改变。在至少一个实施例中，磁传感器1515、1520、1525、1530的输出可以被调节以提供指示到铁磁性目标1555的距离1560的传感器系统输出1550。
图16示出了磁传感器围绕铁磁性元件的示例性布置。该实施例中，磁传感器可以成对1610 1615、1620 1625、1630 1635、1640 1645的形式被布置，其中所述对具有相对于铁磁性元件1505与磁源1510之间的磁通密度线的交替取向。在该示例中，每个传感器对都可以提供差动输出。求和1650与差动调节1655电路可以是调节电路1535的一部分，并且可以进一步提供传感器系统输出1550作为差动信号。差动输出的使用尤其是在信号处在低电平、遭受恶劣电的电磁环境或者行进任何可观距离的情况下可以提高抗扰性。例如，将传感器系统输出1550作为差动信号来提供可以在所述输出被提供给读取设备1660时可提高抗扰性。
在其它实施例中，磁传感器不必被放置得距对称轴等径向距离，并且其输出也不需要一定相等，而且输出可以被适当处理以获得有效的目标距离。应当理解，任意数目的磁传感器都可以在不分组或者以任意合适的数目或者设置被分组到一起情况下被使用。
除测量目标距离之外，感测系统1500也可以与图7或8中传感系统720或725或820可互换地使用以读取增量或绝对位置轨道。
回到图15，铁磁性目标1555一旦位于传感器系统1500之前则改变由磁传感器1515、1520、1525、1530所检测的磁通密度矢量，由此影响输出信号1550。目标1555与传感器系统之间的距离1560可以确定传感器系统输出1550的值。传感器系统输出1550可以根据由一个或多个标尺引入的任意磁通变化而变化，其中所述标尺可以附接于铁磁性目标1555或与铁磁性目标1555相集成。
磁源1510及铁磁性元件1505的形状可以被修改以获得特定磁通密度图案或配置，或者优化或者以其他方式改善传感器系统输出1550或距离1560。例如，在一些实施例中，铁磁性元件1505和磁源1510中至少之一可以具有如下形状：圆柱体、圆锥体、立方体或其它多面体、抛物面或其它任意合适的形状。如上面所提到的那样，可以使用任意合适数目的传感器。此外，传感器可以具有任意合适的布置，以获得特定磁通密度图案或者优化传感器系统输出1550或距离1560。
传感器系统1500适于用在此所述的实施例中(例如，穿过在此所述公开的室中的非磁性材料的壁，其中所述壁可以将目标转子或标尺同传感器系统隔离)。传感器系统1500适于用在真空自动化系统实施例中。传感器系统1500特别适于测量在此所述的所有实施例的磁通、间隙以及标尺。
图17图解说明了示例性电机2110，该电机2110包括根据示例性实施例的位置反馈系统2100。尽管将参考附图中所示的实施方式来描述所公开的实施例，但是应当理解，所公开的实施例可以体现为多种可替代的形式的实施例。此外，还可以使用任意合适尺寸、形状、类型的元件或材料。
示例性实施例的位置反馈系统可以为任意合适的电机提供高分辨率位置反馈。示例性实施例的反馈系统可以允许基于正切位置测量来同时测量相对于电机定子的偏心率和取向(例如旋转)。
图17所示电机2110仅仅出于示例性目的而包括单个转子/定子，并且应当认识到，电机2110可以包括任意合适数目的转子，其中所述转子以任意合适的配置、包括但不限于同轴和非同轴配置而被布置。在图17示例性实施例中，定子2110S例如可以为铁芯定子，但是在可替代实施例中，定子可以为任意合适的定子。转子2110R可以由任意合适的材料构成，并且包括永磁体2110M及铁质背衬2110B。在可替代实施例中，转子可以包括任意的与定子2110S相互作用的铁磁性材料。
定子2110S可以包括任意合适的绕组组，以用于控制转子2110R例如在X-Y平面中和/或Z方向上的位置。在可替代实施例中，绕组组可以具有任意适用的配置。定子2110S与电机磁体2110M之间的相互作用可以产生使转子2110R被动悬浮的力。该悬浮力可以由弯曲的磁通线引起，所述磁通线进而可以从转子磁体的边缘相对于定子的边缘的偏移而被生成，这在于2007年6月27日提交的名为“ROBOT DRIVE WITHMAGNETIC SPINDLE BEARINGS”的美国临时专利申请60/946,687(代理人案号390P012913-US(-#1))中被说明，该公开的全部内容通过引用并入本申请。在可替代实施例中，可以以任意合适的方式生成所述悬浮力。
示例性实施例的反馈系统2100包括多个读取头2130及标尺2120。读取头2130可以为任意合适的读取头、包括但不限于光学非接触式读取头、电容式读取头、电感式读取头及磁读取头。在可替代实施例中，读取头可以为基于接触的读取头。读取头可以位于电机中的任意合适位置，使得读取头2130相对于定子2110S而言固定。在可替代实施例中，读取头2130可以具有任意合适的与定子2110S的关系。可以认识到，在可替代实施例中，读取头2130可以被定位为、构造为和/或适当地同转子2110R及定子2110S相隔离，使得例如读取头2130与转子2110R及定子2110S之间的磁相互作用不改变由读取头2130所提供的读数。
读取头2130可以被可通信地耦合到任意合适的处理器2160，其中所述处理器2160被配置为接收来自读取头2130的输出信号并且处理下面将要描述的那些信号以确定关于转子2110R的位置数据。仅出于示例性目的，读取头2130可以通过任意合适的有线或无线连接与处理器2160进行通信，所述连接包括但不限于广域网连接、局域网连接、蓝牙连接、红外连接、射频连接或其它任意合适的连接。在一个或多个实施例中，读取头2130可以包括上述一个或多个感测机构500或传感器系统1500。
标尺2120可以为任意合适的标尺、包括但不限于被配置为与上述读取头一起使用的绝对或增量标尺。应当注意，尽管图中只示出了一个标尺，但是在可替代实施例中可以使用任意合适数目的标尺。作为非限制性示例，在一个可替代实施例中，每个读取头2130都可以具有其自己的相应标尺，而在其它可替代实施例中，一些读取头可以共用一个标尺，而其它读取头则共用不同的标尺。
在一个示例性实施例中，标尺2120可以被接合到转子2110R或者以其他方式附接于转子2110R。在其它示例性实施例中，标尺2120可以通过机器加工、刻蚀或任何其它合适的制造技术而被嵌入到转子2110R中。在可替代实施例中，标尺2120可以是附接于转子并从转子径向延伸的圆盘。在其它可替代实施例中，标尺可以具有任意合适的配置。标尺2120可以被配置为使得标尺上的刻度2120G被布置为使得读取头可以实施对转子110R的偏心率和/或旋转的检测，这将在将在下面予以详细描述。在可替代实施例中，可以以任意合适的方式布置标尺上的刻度。
仍参考图17，还应当注意，该示例性实施例的反馈系统2100可以被用在任意合适的环境中、包括但不局限于真空环境、通大气环境或其它受控空气环境。在一个示例性实施例中，电机可以包括边界2140，所述边界2140可以允许转子2110R在真空中运行，而定子2110S在通大气环境中运行。在可替代实施例中，转子和定子的每个都可在任意合适环境中运行，其中所述环境可彼此相同或不同。边界2140可以由任意可以例如在真空等环境中使用的合适材料构成，以及由如下材料构成：其可以在不造成磁通短路也不对涡流的敏感且不会因磁相互作用而发热的情况下被置于磁场中。边界也可以耦合到合适的热传导装置(有源或无源)，以使驱动部中的温度最小化。在读取头2130为光学读取头2130的一个示例性实施例中，边界可以包括光学视口，以允许读取头2130读取标尺2120。在读取头2130为电容式读取头、电感式读取头或磁读取头(例如Hall传感器)的情况下，可能不存在与读取头2130相关联的任何视口。
现在参考图18，示出了根据示例性实施例的反馈系统2100′的示意图。在图18所示的示例性实施例中，反馈系统2100′包括三个读取头2130A-2130C，但是在可替代实施例中，反馈系统2100′可以具有比三个读取头更多或更少的读取头。在该图中示出：读取头2130A-2130C被布置为以基本等间隔的方式围绕定子2110S，使得读取头在径向上指向标尺2120。在可替代实施例中，读取头2130A-2130C可以被布置为以合适的预先确定的间隔布置围绕定子2110S，并且相对于标尺2120具有任意合适的取向。在一个示例性实施例中，读取头2130A-2130C的每个都可以被配置为提供如下的位置信息：所述位置信息对应于标尺2120上的相应读取头正在观测的点与标尺2120的原点SO之间的距离(例如dA、dB、dC)。该信息例如可以用于确定转子2110R相对于定子2110S的偏心率及取向。在可替代实施例中，读取头2130A-2130C可以提供用于确定转子2110R相对于定子2110S的偏心率及取向的任意合适的信息。应当注意，图18所示距离dA、dB、dC被表示为在顺时针方向延伸，但是在替代实施例中，所述距离可以根据例如转子2110R的旋转方向而为逆时针方向。
现在参考图19，根据示例性实施例，将描述使用来自四个读取头2230A-2230D的正切位置测量值来确定转子2110R偏心率和取向。然而应当注意，下述与四个读取头2230A-2230D相对应的示例性等式可以针对任意合适数目的读取头而被修改，并且可以确定转子2110R的偏心率和旋转位置。
可以认识到，在电机2110运行期间，转子2110R可能从第一旋转中心C向第二旋转中心C1发生偏离。这种偏离可能是例如由于施加于转子的径向和/或轴向载荷造成的。反馈系统2100″可以被配置为计算转子2110R的偏离及旋转取向。在下述示例性位置确定中，假定当转子2110R向逆时针方向转动时，距离d1-d4增加。然而在可替代实施例中，可以假定当转子2110R向顺时针方向转动时，距离d1-d4增加，其中对下述等式作出适当改变。
作为非限制性示例，在该示例性实施例中，中心点C的偏心率或偏离可以由下列等式得出：
x0＝rcos[(d2-d4)/(2r)]    (100)
y0＝rcos[(d3-d1)/(2r)]    (101)
其中x0和y0分别表示转子2110R偏心率的x及y分量。从上述等式可以认识到，偏心距x0可以使用对应于如由读取头2230D和2230B正切测量出的弧长2240X的角度而被得出。类似地，偏心距y0可以使用对应于如由读取头2230C和2230A正切测量出的弧长2240Y的角度而被得出。定子的旋转取向或位置可以由下列等式得出：
θ1＝d1/r-asin(y0/r)        (102)
θ2＝d2/r-3π/2+asin(x0/r)  (103)
θ3＝d3/r-π+asin(y0/r)     (104)
θ4＝d4/r-π/2-asin(x0/r)   (105)
θ 0 = Σ i - 1 4 θ i / 4 = ( d 1 + d 2 + d 3 + d 4 ) / ( 4 r ) - 2 π / 4 - - - ( 106 )
其中θ0为转子2110R的取向。θ1-θ4分别表示读取头2230A-2230D与标尺2120的原点SO之间的角度。标尺的原点SO与读取头2230A-2230D之间的距离被相应地表示为d1-d4。标尺2120的半径相应地由指示符r表示。上述等式可以提供基本准确地对转子2110R在X-Y平面的位置确定(即偏心率)以及转子2110R相对于任意期望参考点的旋转取向θ0。
其另一例子中，也可以在不求三角函数的值的情况下确定转子的偏心率和旋转取向θ0的近似值。位置近似值可使用下列等式得出：
x0＝-(d2-d4-πr)/2＝(d4-d2+πr)/2    (107)
y0＝-(d3-d1-πr)/2＝(d1-d3+πr)/2    (108)
θ1＝(d1-y0)/r                       (109)
θ2＝(d2-3πr/2+x0)/r                (110)
θ3＝(d3-πr+y0)/r                   (111)
θ4＝(d4-πr/2-x0)/r                 (112)
θ 0 = Σ i = 1 4 θ i / 4 = ( d 1 + d 2 + d 3 + d 4 ) / ( 4 r ) - 2 π / 4 - - - ( 113 )
其中θ0、θ1-θ4、d1-d4及r表示与上述相同的特征。
应当认识到，上面的用于确定转子2110R偏心率(即x0和y0)及旋转取向(即θ0)的方案仅用于示例性目的，并且其它用于使用正切位置测量确定偏心率及旋转取向的方案均可以被使用。
现在转至图20A，另一实施例可以提供：使用多个传感器组(本例中为两组传感器)进行对转子X-Y位移的测量。图20A示出了一个示例性实施例，该实施例包括电机2000的一部分，电机2000具有：定子2003，其具有定子背衬2005及一个或多个绕组2010；转子2015；以至少两个传感器对2020、2025。转子2015可包括转子背衬2030，在转子背衬2030上可以安装多个转子磁体2035。
该实施例中，传感器组被用于检测转子2015相对于定子2003的位移、尤其是沿着定子2003与转子2015之间的间隙2040的位移。例如，第一组传感器2020测量第一位置Y处的位移，而第二组传感器2025测量第二位置X处的位移，其中第二位置X同第一位置Y具有角度偏移量A。尽管在本实施例中，位置被偏移90°，但是应当理解，任意合适的角度偏移都可以被使用。每个传感器组中包括两个传感器系统、在传感器组2025中为X1 X2、并且在传感器组2020中为Y1 Y2。在其它实施例中，每个传感器组可以包括附加传感器系统。每个传感器系统都可以类似于图15中的传感器系统1500。每组中的传感器系统通常具有带有相反极性的磁源。
如图20B所示，传感器系统X1(或Y1)包括铁磁性元件2040和磁源2045，并且传感器系统X2(或Y2)包括铁磁性元件2050和磁源2055。磁源2045和2055以相反的极性被定位。作为示例，如图20B所示，传感器系统X1和Y1具有面对铁磁性元件2040内部的磁源2045的北极N，而传感器系统X2和Y2具有面对铁磁性元件2050内部的磁源2055的南极S。外部磁场(比如由涡流等因素引起的外部磁场)对每对传感器系统内的每个传感器系统具有相反的影响。因此，这样的外部磁场的影响可以通过取每对内的每个传感器系统的输出的平均值来予以消除。使用这些布置和技术可以有利地改善噪声衰减。
图21示出了类似于图7所示的实施例的实施例，其中传感器系统被用于读取增量轨道以生成正弦和余弦信号。图21的实施例可以使用4个传感器系统。每个传感器系统都可以类似于图15中的传感器系统1500。图21所示传感器系统可以被定位为生成正弦和余弦信号，所述信号不具有DC偏移并且具有如下的振幅：其在沿Z轴位移及分隔传感器系统和增量轨道的间隙发生小的变化时保持不变。
在图21中，传感器系统2101 2102 2103 2104被定位为沿着增量标尺2105，其中该标尺具有规则间隔的齿距2110以及带有平面2115的区域。在该实施例中，传感器系统2101和2102作为第一对被定位为沿着标尺2105以输出正弦信号，并且传感器系统2103和2104作为第二对被定位为沿着标尺2105以输出余弦信号。每对内的传感器系统可以被偏移180°，而第一对中的相应传感器系统同第二对中的相应传感器系统偏移90°。每个传感器系统2101 2102 2103 2104可以具有至少两个磁传感器A和B。A传感器可以被定位为以读取增量标尺2105的齿轮廓。沿Z轴及沿A传感器或标尺2105的间隙的位移变化通常将影响A传感器的信号幅值及DC偏移。B传感器可以被定位为只读取标尺2105的平面区域2115。这样一来，由B传感器输出的信号可以不受沿Z轴的位移影响，而仅受沿间隙2120的变化影响。
通过组合来自A和B传感器的信号，可获得正弦或余弦信号，其中所述信号对沿间隙的位移改变无变化。此外，每对传感器系统中传感器的输出可以异相180°，并且因此可以由于沿Z轴的任意位移而在同一方向上变化。通过组合来自每对传感器系统中A、B传感器的信号，可以获得正弦或余弦信号，其中所述信号对沿Z轴和间隙2120的位移保持不变且无DC偏移。
公开的实施例提供了用于在不侵入转子可以运行的隔离环境中并且在所述隔离环境中不需要电子设备或传感器的情况下确定转子旋转位置的技术。在一个实施例中，单个标尺可以用于确定绝对位置和增量位置二者。
当前公开的实施例也提供一种传感器系统，该传感器系统具有铁磁性元件、磁源和磁传感器的独特布置，所述布置产生均匀的磁通密度线，使得传感器可以以轨道配置围绕磁源放置。
公开的实施例还提供一种用于电机的反馈系统，该系统包括用于确定电机转子的偏心率和旋转位置的独特结构和技术。
应当理解，前面的描述仅用于说明当前实施例。在不偏离在此公开的实施例的情况下，本领域技术人员可以想出多种替代方案以及修改方案。因此，所述实施例旨在包括所有落入所附权利要求范围内的替代方案、修改方案及变型方案。

Claims (8)

1.一种感测机构，包括：
磁源；
磁通传感器；以及
传感器背衬，在所述传感器背衬上安装有磁源和磁通传感器，
其中所述磁源和磁通传感器被布置为形成磁路，该磁路从磁源到铁磁性目标，再从所述目标到所述传感器，并且穿过所述传感器背衬回到磁源。
2.根据权利要求1所述的感测机构，其中磁通传感器运行以提供与可变磁通强度成比例的输出，该可变磁通强度取决于磁源和铁磁性目标之间的距离。
3.根据权利要求1所述的感测机构，进一步包括耦合到铁磁性目标的第一标尺，该标尺指示铁磁性目标的绝对位置。
4.一种传感器系统，包括：
磁源；
铁磁性元件，其限制磁源；以及
多个磁传感器，其被布置为围绕铁磁性元件的对称轴，
其中磁源被定位为使得磁化方向平行于铁磁性元件的对称轴，以及
其中铁磁性元件的开口端面对铁磁性目标，以测量铁磁性目标的位置。
5.根据权利要求24所述的传感器系统，其中铁磁性元件具有杯形。
6.根据权利要求24所述的传感器系统，其中磁传感器被成对布置，每个对成员都具有相对于铁磁性元件与磁源之间的磁通密度线交替的取向，其中每个传感器对被配置为提供至少具有抗扰性的差动输出。
7.根据权利要求24所述的传感器系统，进一步包括耦合到铁磁性目标的第一标尺，该标尺指示铁磁性目标的绝对位置。
8.根据权利要求31所述的传感器系统，其中磁传感器用于感测由第一标尺引起的可变磁通密度并且输出指示铁磁性目标的所测绝对位置的信号。
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