CN102472638A - 绝对位置感测 - Google Patents

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Abstract

为了确定总成的可移动部分的相对位置，第一磁设备耦合到总成的第一部分。第一磁设备具有感测表面，所述感测表面具有提供磁化状态过渡位置的若干磁极。具有双状态输出的绝对位置传感器与第一磁设备相邻而耦合到总成。当第一磁设备的磁化状态过渡移过绝对位置传感器时，输出状态改变。第二磁设备耦合到总成。第二磁设备创建其感测表面附近的循环变化的磁场。增量位置传感器与第二磁设备相邻而耦合到总成，并且具有在第二磁设备的循环变化的磁场的一个循环的至少一部分上与磁场角相关连续变化的输出。

Description

绝对位置感测
技术领域
本公开涉及位置感测。
背景技术
存在许多以下情况：期望感测总成(assembly)的一个或多个可相对移动的部分的位置。一个例子是其中诸如工具之类的可移动构件需要相对诸如工件或台之类的固定构件精确地定位的机器工具。其他例子包括用于(尤其在车辆移动时)受到随机加速度影响的车辆或车辆的部分的主动悬挂(suspension)系统。为了使主动悬挂系统有效，总成的可移动部分的位置必须已知。
发明内容
一般地，在一个方面中，本发明提供一种装置，其包括线性电机，所述线性电机包括定子和可相对所述定子在行程距离上移动的电枢。第一磁设备耦合到所述电枢。所述第一磁设备定义包括多个磁极的感测表面，所述多个磁极提供它们之间的磁化状态过渡位置。磁极传感器与所述第一磁设备相邻而耦合到所述定子，从而随着所述电枢相对于所述定子在所述行程距离上移动，所述第一磁设备移过所述磁极传感器，所述磁极传感器感测所述第一磁设备的相邻的磁极。第二磁设备耦合到所述电枢，所述第二磁设备定义包括多个相邻交替相反磁极的感测表面，所述多个相邻交替相反磁极创建其感测表面附近的循环变化的磁场。磁场角传感器与所述第二磁设备相邻而耦合到所述定子，从而随着所述电枢相对于所述定子移动，所述第二磁设备的循环变化的磁场移过所述磁场角传感器，所述磁场角传感器感测所述第二磁设备的磁场的角度并且具有在所述循环变化的磁场的一个循环的至少一部分上与所述磁场角相关连续变化的输出。
本发明的多种实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。所述磁极传感器可以包括单个霍尔传感器。所述磁场角传感器可以包括磁阻传感器。所述磁场角传感器可以包括双极霍尔传感器，并且所述磁场角传感器可以具有180°的全范围输出，从而其输出对于所述第二磁设备的每个磁场循环重复两次。所述第一磁设备可以至少是所述电枢的行程距离的一半长，并且所述第二磁设备可以至少像所述电枢的行程距离那样长。
多种其他实施方式可以包括以下特征中一个或多个。所述第二磁设备的相邻磁极可以在磁化状态过渡位置相遇，并且所述第一磁设备和第二磁设备可以耦合到电枢，从而所述第一磁设备的磁化状态过渡位置和所述第二磁设备的至少一个磁化状态过渡位置之间存在已知和定义的空间关系。所述第一磁设备的过渡位置可以相对于所述第二磁设备的感测表面的长度近似位于中央。所述磁场角传感器输出可以在每个磁场循环上在至少一个位置重置，并且所述第一磁设备和第二磁设备可以被布置为使得当所述磁极传感器与所述第一磁设备的过渡位置相邻时，所述磁场角传感器不与其重置的位置相邻。该装置可以进一步包括第三磁设备，其与所述第一磁设备相邻而耦合到所述电枢，所述第三磁设备定义感测表面，所述感测表面在电枢行程距离上定义单个磁化状态过渡位置，其中所述第一磁设备和第三磁设备的感测表面每个包括至少两个磁极，并且其中所述第一磁设备和第三磁设备的相邻磁极具有相反极性。
一般地，在另一方面中，本发明提供一种装置，其包括线性电机，所述线性电机包括定子和可相对所述定子在行程距离上移动的电枢；第一磁设备，其耦合到所述电枢，所述第一磁设备定义包括多个磁极的感测表面，所述多个磁极提供它们之间的磁化状态过渡位置；磁极传感器，其与所述第一磁设备相邻而耦合到所述定子，从而随着所述电枢相对于所述定子在所述行程距离上移动，所述第一磁设备移过所述磁极传感器，所述磁极传感器感测所述第一磁设备的相邻的磁极。存在第二磁设备，其耦合到所述电枢，所述第二磁设备定义至少像所述电枢的行程距离那样长并且包括多个相邻交替相反磁极的感测表面，所述多个相邻交替相反磁极创建其感测表面附近的循环变化的磁场。磁场角传感器与所述第二磁设备相邻而耦合到所述定子，从而随着所述电枢相对于所述定子移动，所述第二磁设备的循环变化的磁场移过所述磁场角传感器，所述磁场角传感器感测所述第二磁设备的磁场的角度并且具有在所述循环变化的磁场的一个循环的至少一部分上与所述磁场角相关连续变化的输出。所述第二磁设备的相邻磁极在磁化状态过渡位置相遇，并且所述第一磁设备和第二磁设备耦合到电枢，从而所述第一磁设备的磁化状态过渡位置和所述第二磁设备的至少一个磁化状态过渡位置之间存在已知和定义的空间关系。所述磁场角传感器输出在每个磁场循环上在一个或两个位置重置，并且所述第一磁设备和第二磁设备被布置为使得当所述磁极传感器与所述第一磁设备的过渡位置相邻时，所述磁场角传感器不与其重置的位置相邻。
一般地，在另一方面中，本发明提供一种用于确定总成的在行程距离上移动的一个或多个可相对移动的部分的位置的感测系统。该感测系统包括第一磁设备，其耦合到所述总成的第一部分，所述第一磁设备定义包括多个磁极的感测表面，所述多个磁极提供它们之间的磁化状态过渡位置。该感测系统进一步包括绝对位置传感器，其与所述第一磁设备相邻而耦合到所述定子所述总成的第二部分并且具有双状态输出，其中当随着所述部分相对彼此在所述行程距离上移动而所述第一磁设备的磁化状态过渡移过所述绝对位置传感器时，所述输出状态改变。存在第二磁设备，其耦合到所述总成的第一部分，所述第二磁设备创建其感测表面附近的循环变化的磁场。增量位置传感器与所述第二磁设备相邻而耦合到所述总成的第二部分，并且具有对于所述第二磁设备的循环变化的磁场的每个循环重复至少一次的输出。
本发明的多种实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。所述绝对位置传感器可以包括霍尔传感器。所述增量位置传感器可以包括磁场角传感器，所述磁场角传感器耦合到所述总成的第二部分，从而随着所述第二磁设备的循环变化的磁场移过所述磁场角传感器，所述磁场角传感器感测所述第二磁设备的磁场的角度并且具有在所述循环变化的磁场的一个循环的至少一部分上与所述磁场角相关连续变化的输出。所述第二磁设备可以定义包括多个相邻交替相反磁极的感测表面，所述多个相邻交替相反磁极创建其感测表面附近的循环变化的磁场。所述磁极传感器可以包括双极霍尔传感器，并且所述磁场角传感器可以具有180°的全范围输出，从而其输出对于所述第二磁设备的每个磁场循环重复两次。所述第一磁设备可以至少是所述行程距离的一半长，并且所述第二磁设备可以至少像所述行程距离那样长。
多种其他实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。所述第二磁设备的相邻磁极可以在磁化状态过渡位置相遇，并且所述第一磁设备和第二磁设备可以并排耦合到电枢，从而所述第一磁设备的磁化状态过渡位置和所述第二磁设备的相邻磁化状态过渡位置之间存在已知和定义的空间关系。所述第一磁设备的过渡位置可以相对于所述第二磁设备的感测表面的长度近似处于中央。所述磁场角传感器输出可以在每个磁场循环上在至少一个位置重置，并且所述第一磁设备和第二磁设备可以被布置为使得当所述霍尔传感器与所述第一磁设备的过渡位置相邻时，所述磁场角传感器不与其重置的位置相邻。该传感器系统可以进一步包括第三磁设备，其在所述第一磁设备旁边而耦合到所述总成的第一部分，所述第三磁设备定义感测表面，所述感测表面在所述行程距离上定义单个磁化状态过渡位置，其中所述第一磁设备和第三磁设备的感测表面每个包括至少两个磁极，并且其中所述第一磁设备和第三磁设备的相邻磁极具有相反极性。
一般地，在另一方面中，本发明提供了一种控制系统，其控制使总成的可相对移动的部分移动的一个或多个致动器，从而控制所述总成的所述部分的位置。该控制系统包括具有双状态输出的绝对位置传感器，一个状态指示所述相对移动的第一部分，而另一状态指示所述相对移动的第二不同的部分。存在增量位置传感器，其具有在与所述相对移动相关联的多个重复循环中的每个的至少一部分上连续变化的输出；以及控制器，其接收两个传感器的输出。在启动时，所述总成的所述部分中的至少一个移动直至所述绝对位置传感器改变状态，并且作为响应，所述控制器确定所述总成的所述部分的绝对位置。
本发明的多种实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。所述控制器可以跟踪指示当前正在被增量位置传感器感测的循环的信息，并且在启动之后，在所述总成的所述部分的相对移动时所述控制器可以基于哪个循环当前正在被所述增量位置传感器感测的识别、以及所述增量位置传感器的输出这两者来确定所述总成的所述部分中的至少一个的绝对位置。在启动时，所述控制器可以至少部分基于所述多个循环中的哪个当前正在被所述增量位置传感器感测的识别，来确定所述总成的所述部分的绝对位置。循环的总数目可以是固定的，并且如果被跟踪的循环的数目超过预定循环数目，则所述控制器可以检测到错误。所述绝对位置传感器可以被用于确认循环的正确跟踪。传感器可以是非接触传感器。绝对位置传感器可以包括霍尔传感器，并且增量位置传感器可以包括磁阻传感器。
一般地，在另一方面中，本发明提供一种操作控制系统的方法，所述控制系统控制使总成的一个或多个可相对移动的部分移动的一个或多个致动器，从而控制所述总成的所述部分的位置。所述控制系统包括具有双状态输出的绝对位置传感器，一个状态指示所述总成的所述部分的相对移动的第一部分，而另一状态指示所述相对移动的第二不同的部分。存在增量位置传感器，其具有在与所述相对移动相关联的多个重复循环中的每个的至少一部分上连续变化的输出；以及控制器，其接收两个传感器的输出并且输出控制信号。所述控制器输出信号，所述信号导致所述总成的至少一部分移动直至所述绝对位置传感器的状态改变，并且至少基于所述增量位置传感器的输出来确定所述总成的所述部分中的至少一个的绝对位置。
本发明的多种实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。所述控制器可以跟踪指示当前正在被增量位置传感器感测的循环的信息，并且在所述总成的所述部分的相对移动时所述控制器可以基于哪个循环当前正在被感测的识别、以及所述增量位置传感器的输出这两者来确定所述总成的所述部分中的至少一个的绝对位置。循环的总数目可以是固定的，并且如果被跟踪的循环的数目超过预定循环数目，则所述控制器可以检测到错误。绝对位置传感器可以被用于确认循环的正确跟踪。
一般地，在另一方面中，本发明提供了一种用于将总成的可移动部分相对于所述总成的另一部分定位的定位系统。该定位系统包括电磁电机，所述电磁电机包括定子以及耦合到所述总成的可移动部分并且可相对所述定子在行程距离上移动的电枢。单相致动器耦合到所述总成的可移动部分。第一磁设备耦合到所述电枢，所述第一磁设备定义包括多个磁极的感测表面，所述多个磁极提供它们之间的磁化状态过渡位置。具有双状态输出的磁极传感器与所述第一磁设备相邻而耦合到所述定子，从而随着所述电枢相对于所述定子在所述行程距离上移动，所述第一磁设备移过所述磁极传感器。所述磁极传感器输出的一个状态指示所述相对移动的第一部分，而另一状态指示所述相对移动的第二不同的部分。第二磁设备耦合到所述电枢，所述第二磁设备定义包括多个相邻交替相反磁极的感测表面，所述多个相邻交替相反磁极创建其感测表面附近的循环变化的磁场。磁场角传感器与所述第二磁设备相邻而耦合到所述定子，从而随着所述电枢相对于所述定子移动，所述第二磁设备的循环变化的磁场移过所述磁场角传感器，所述磁场角传感器感测所述第二磁设备的磁场的角度并且具有在所述循环变化的磁场的多个循环中的每个的至少一部分上与所述磁场角相关连续变化的输出。控制器响应于两个传感器而控制所述单相致动器移动所述总成的可移动部分，直至所述磁极传感器的输出改变状态。响应于所述状态改变，所述控制器确定所述总成的所述部分中的至少一个的绝对位置。
本发明的多种实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。所述电磁电机可以包括线性多相电磁电机，并且所述单相致动器可以包括气缸。所述控制器可以跟踪指示当前正在被所述磁场角传感器感测的循环的信息，并且在所述总成的所述部分的相对移动时所述控制器可以基于所述多个循环中的哪个当前正在被所述磁场角传感器感测的识别、以及所述磁场角传感器的输出这两者来确定所述总成的所述部分中的至少一个的绝对位置。所述磁极传感器可以包括霍尔传感器，并且所述磁场角传感器可以包括磁阻传感器。所述可移动部分可以包括机动车中的座椅。
附图说明
图1是利用根据本发明的位置感测的位置控制系统的示意图；
图2是并入本发明的实施例的线性电机的透视图；
图3A是图2中所示的系统的一部分的透视图，该图详细示出用于在本发明的实施例中使用的磁设备的实施例；
图3B是示出用于本发明的实施例的磁设备的附加的实施例、并且也详细示出用于本发明的实施例的绝对位置传感器和增量位置传感器的类似的视图；
图4A是用于本发明的实施例的磁设备的示意侧视图，该图图示其感测表面附近的其磁场线；
图4B是示出相对沿x轴的位置的其磁场分量的图形；
图4C是示出与用于本发明的实施例的增量位置传感器相对于图4A的磁设备的x轴的位置相关的用于本发明的实施例的增量位置传感器的输出的图形；
图5A和5B示出了图3B中所示的传感器随着其相对于图3B中所示的磁场设备移动时的输出；
图6是在解释本发明的实施例中有用的图4C的图形的一部分的更详细的视图；
图7A是示出使用本发明的一个实施例的控制系统的启动的流程图；
图7B是示出使用本发明的一个实施例的控制系统的操作的流程图；
图8示出了主动悬挂的座椅；以及
图9是用于本发明的实施例的定位系统的示意框图。
具体实施方式
可以在用于确定总成的在行程距离上移动的一个或多个可相对移动的部分的位置的位置感测系统和方法中实现本发明。第一磁设备耦合到总成的第一部分。如这里所使用的术语“耦合”可以意为两个设备、结构或构件的直接机械耦合(在该情况下为第一磁设备到总成的第一部分)或间接机械耦合(诸如可以利用位于磁设备和总成的第一部分之间的一个或多个其他设备、结构或构件来实现)。第一磁设备具有定义行程距离上的一个或多个磁化状态过渡位置的感测表面。一个或多个绝对位置传感器与第一磁设备相邻而耦合到总成的第二部分。绝对位置传感器优选地具有双状态输出，其中当随着所述部分在行程距离上相对彼此移动而第一磁设备的磁化状态过渡移过绝对位置传感器时，输出状态改变。第二磁设备耦合到总成的第一部分。第二磁设备创建其感测表面附近的循环变化的磁场。增量位置传感器与第二磁设备相邻而耦合到总成的第二部分，并且具有与第二磁设备的循环直接相关而重复的输出。例如，增量位置传感器的输出可以对于第二磁设备的每个循环重复一次，或可以对于第二磁设备的每个循环重复两次。增量位置传感器的输出可以在其输出的每个重复上与磁场角相关连续地变化，从而可以经由增量位置传感器的输出确定相对于每个循环的位置。如这里与增量位置传感器的输出相关而使用的术语“连续地”意为在传感器输出范围上输出是所感测的磁场角的连续的函数，所述输出范围在实施例中是180°或360°。典型地，增量位置传感器输出在其输出范围上单调变化，并且在循环地变化的磁场的每个循环上重置整数次数。
图1示出了具有部分12和14的总成10。部分12和14中的一个或两者可相对彼此移动以实现部分12和14之间的期望的相对位置。在所示出的例子中，部分14可沿箭头16的方向来回横向移动，并且部分12固定。然而本发明有用于包括两个或更多部分的总成，所述两个或更多部分中的任何一个或多个可相对其他部分中的任何一个或多个移动。
总成10进一步包括传感器18和20，传感器18和20的输出被提供给控制器24。控制器24的输出被提供给将部分14相对部分12移动的移动器26。移动器26可以包括现有技术中已知的诸如致动器之类的一个或多个设备。移动器可以是单相或多相设备。
传感器18和20中的一个是具有双状态输出的绝对位置传感器。一个状态指示部分12和14的相对移动的第一部分，并且另一状态指示该相对移动的第二不同的部分。传感器18和20中的另一个是增量位置传感器，其具有在相对移动的第一和第二部分两者上、在若干分离循环中的每个的至少部分上连续变化的输出。在这里所描述的实施例中，传感器18和20是非接触传感器。在这里所描述的实施例中，传感器18和20是感测由与传感器18和20相邻而位于部分14上的磁设备22表示的一个或多个磁设备的多个方面的磁传感器。
图2描绘了具有定子52和电枢54的线性电机50。这是可以与本发明一同使用的总成的一个例子。电枢54定义一系列磁极56。电枢54沿箭头55的方向相对于定子52进出地移动；线性电机的操作是众所周知的。线性电机在许多系统中具有应用，这些系统从线性电机获益。作为可以与本发明一同使用的系统的非限制性例子的一个这样的系统是主动悬挂系统，诸如用于机动车悬挂或用于振动或加速度控制的主动悬挂系统。振动和加速度控制的一个非限制性例子是机动车中的座椅的不期望的振动和其他加速度的控制。
根据本发明的实施例的感测系统62感测电枢54相对于定子52的位置。在示例中，这是通过包括每个直接(或间接)机械耦合到电枢54的轨道58的第一磁构件66和第二磁构件64来实现的。传感器结构60机械耦合到定子52或总成的另一固定部分，从而随着电枢54相对于定子52进出地移动，磁设备64和66相对于传感器结构60沿箭头55的方向移动。
在图3A中描绘了这两个磁设备的一个特定实施例。第一磁设备66包括伸长的条，其定义沿其长度的在其感测表面处的两个磁极(这些磁极对于北极由“N”表示而对于南极由“S”表示)。这些磁极在定义磁化状态过渡位置的位置78处相遇。设备66优选地像电枢行程距离那样长，但不一定如此。在某些实施例中，设备66在电枢行程的整体上定义单个磁化状态过渡。在其他实施例中，设备66沿电枢行程方向中沿其感测表面的长度定义多于两个交替的磁极，从而定于多于一个磁状态过渡位置。此外，设备66优选地(但不一定)在从两个行程端点到磁状态过渡的整个电枢行程上呈现单个磁极，从而传感器输出可以直接指示相对于过渡电枢在行程的哪个部分；这一点在下面进一步解释。
在该非限制性实施例中，第二磁设备64与设备66相邻并且在设备66旁边；如下所述，可以想到这两个磁设备的其他物理布置。第二磁设备64定义感测表面65，该感测表面65包括诸如磁极72和74之类的若干相邻交替磁极。交替磁极沿电枢54的行程维度创建与感测表面65接近的循环变化的磁场。优选地，设备66至少像电枢行程距离那样长，从而在整个电枢行程中呈现循环场。但如下面进一步描述的那样，设备66不一定具有该长度。在图中所描绘的两个磁设备的物理布置中，过渡78可以近似位于设备66的感测表面的中央并且可以近似地位于设备64的感测表面的中央，但不要求该布置并且该布置不是本发明的限制。
本发明想到创建和/或感测沿总成的可相对移动部分的行程长度的循环变化的其他方式，从而，该循环与循环内的位置一同指示绝对位置。例如，光学传感器可以感测位于移过传感器的部分上的单调变化的特征。二维电荷耦合器件可以感测所布局的主动或被动(例如反射)光源，从而例如通过相对于运动轴沿曲线(例如成角度的线)布置光源而呈现必要的可变性。
磁设备64和66可以安装到与电枢耦合、例如被夹在电枢轨道58后面的法兰67。在一个实施例中，法兰67和轨道58可以由铁电材料制成。一个结果是背衬法兰67充当用于两个磁设备的护铁(back-iron)，并且轨道58提供对杂散磁场的一些屏蔽。
在图3B的可替代实施例62a中示出磁设备的类似的布置。实施例62a包括形状、尺寸和长度与设备66相同并且直接位于其旁边的第三磁设备82。设备82定义与它们所相邻的设备66的磁极相反的磁极。该第三磁设备帮助约束来自设备66和82的组合的磁场。这实现供传感器104感测的更良好定义的场。此外，由设备82和62的组合所实现的偶极结构减少来自组合设备的杂散场，该杂散场可能变更在设备64的感测表面65之上呈现的循环磁化矢量。
磁设备64和66(以及当设备82存在时的设备82)的物理布置的结构可以以其他方式改变。为了使得感测系统工作，绝对位置传感器需要在预定义的点处感测磁状态过渡，并且在该点处系统必须知晓其在设备64的当前循环中的位置。利用该信息，然后系统可以通过跟踪循环和在当前感测的循环内的位置来维持绝对位置。据此，第一磁设备66可以沿行程长度定义一个或多于一个过渡，只要系统维持确定感测到哪个过渡的一些手段。如果定义了多于一个过渡，则可以使用多于一个绝对位置传感器从而解决哪个过渡正在被感测的可能的模糊性。具有单个过渡简化了系统，这是因为单个双状态霍尔传感器从而可以用作绝对位置传感器。此外，第二磁设备64可以位于任何地方，只要它与总成的可移动部分一同移动并且可以被增量位置传感器感测；不要求两个磁设备并排放置。然而，将定位设备64和66定位在彼此旁边允许单个总成中的两个传感器的更紧凑的布置，从而提供某些优点。此外，将设备66的状态过渡位置与设备64的两个磁分段的相遇点对齐提供使得系统的组装变得容易的视觉线索，但绝不要求如此。
图3A和3B中所示的实施例图示了两个或三个磁设备中的每个是分离的结构。然而，这不是对本发明的限制，因为如本领域技术人员所理解的那样，磁设备可以被组合为较少(或较多)数量的物理结构。例如，图3A中所示的磁设备两者、或图3B中所示的全部三个磁设备可以被创建在一个物理结构中。可替代地，磁设备66和82可以被创建在一个结构中而设备64可以是分离的。在优选实施例中，设备64和66是分离的。可以用于本实施例的具有创建或“印刷”于其上的磁极的条状磁铁可从Bogen Electronic GmbH，Berlin，Germany获得。
发明性感测系统的实施例包括绝对位置传感器和增量位置传感器。在图3B中所描绘的实施例中，绝对位置传感器利用接近设备66的传感表面73定位的霍尔传感器104实现。传感器104一般在除了期望行程方向中的相对运动之外的全部自由度中相对于设备66固定。然而，如果传感器输出对于传感器与磁设备的相对位置在另一自由度中的一些变化基本上不敏感，则可以容许这样的变化。例如，如果存在传感器104在设备的66的感测表面73之上的高度的一些变化(例如由于设备66和/或其所耦合的结构的制造容差)，则传感器104仍然可以检测磁状态过渡。传感器104可以是双极设备，其在其感测一个磁极时具有一个状态的输出而在其感测相反磁极时具有不同状态的输出。可以使用来自Allegro Microsystems，Inc.ofWorcester，MA的1220系列传感器。通过创建磁设备66相对于电枢(或总成的其他可移动部分)的整体行程的已知物理位置，传感器104的输出指示整体行程的两部分之一。随着设备66相对于传感器104移动(移动沿箭头71的两个方向)，传感器104的输出状态将在磁化状态过渡位置78处改变。由于设备66和正在被感测的总成的可移动部分(在该实施例中为电枢54)之间的物理关系先验已知，所以该实例中的传感器104的输出状态指示电枢54位于其行程的哪个部分。在所描述的实施例中，磁设备66的长度与电枢的整体行程重合，并且过渡78位于其中央处。在该情况下，Hall传感器104的输出指示电枢当前位于行程的哪一半。
存在磁设备66的其他可能的布置。为了使得定位系统在启动时确定为了感测状态过渡而要移动的方向，设备66必须至少覆盖电枢行程的从过渡位置到一个电枢行程端点的部分；在该情况下，如果感测到设备66的磁极，则系统将得知电枢位于行程的该部分中，并且将得知为了感测过渡而要移动的方向。可替代地，如果传感器104是当不位于磁极附近时不具有输出的单极霍尔传感器，则不存在输出被解释为传感器不位于设备66之上，在该情况下系统将得知电枢在其行程的不被设备66覆盖的部分中，并且将得知为了感测过渡而要移动的方向。在极限情况下，设备66有可能在其感测表面仅仅定义单个磁极而无过渡，并且只要该磁极位于电枢行程之上的定义的位置(“原点”位置)，则定位系统就将能够在启动时通过移动(可能在正常运动范围内随机地移动)直至感测到该磁极来工作。
增量位置传感器102接近设备64的感测表面65而定位。传感器102一般在除了期望行程方向中的相对运动之外的全部自由度中相对于设备64固定。然而，如果传感器输出对于传感器与磁设备的相对位置在另一自由度中的一些变化基本上不敏感，则可以容许这样的变化。例如，如果存在传感器102在设备的64的感测表面65之上的高度的一些变化(例如由于设备64和/或其所耦合的结构的制造容差)，则传感器102仍然可以检测磁场角度。随着设备64相对于传感器102沿箭头71的方向移动，传感器102的输出对于磁设备64的每个循环重复两次。
在一个非限制性实施例中，增量位置传感器102可以是磁阻设备，其感测第二磁设备的磁场的角度并且具有与磁场角度相关单调变化(增加或减少)的180°输出(除了当设备在其最大和最小值之间重置从而导致其输出瞬时不连续，如下面进一步解释的那样)，并且在每个360°循环上重复两次。可替代地，传感器102可以是具有在磁场的每个循环上连续变化的360°输出的霍尔效应场方向传感器。两种类型的传感器都在本领域已知。在优选实施例中，使用从NXP Semiconductors，Eindhoven，The Netherlands可获得的磁阻KMA-200传感器。
优选实施例中霍尔传感器和磁阻传感器的操作参考图4A、4B、4C、5A、5B和6进一步地解释。图4A示意性地描绘了第二磁设备64的一部分，其上感测表面65定义创建表面65附近的循环变化磁场110的交替磁极。传感器102近似定位在测量线109处，从而使得其感测场110的角度。图4B描绘了沿测量线109的x和y通量密度分量，其中方向x是磁设备64的运动方向，而方向y是朝向和远离表面65的方向。如图4B中所示，磁场角正弦地变化。通过每对相邻的南-北磁极创建设备64的磁场的一个循环。图4A-4C中所描绘的一个任意定义的循环在磁分段或部分117与分段119相遇的“原点”位置111(在感测表面65处的S-N过渡)开始，并且延伸到分段121与分段123相遇的位置113(下一S-N过渡)，并且包括与分段119和121两者的感测表面相邻的场。该相同的循环在图4B和4C中表示。传感器102的输出随着角度连续地变化，除了输出通过在最大和最小值之间跳动或翻转而重置的不连续。
由于磁阻传感器102具有180°而非360°输出，所以传感器的输出(图4C中所示)对于图4B中所示的循环变化的磁场的每一个循环重复两次(两个循环)。传感器102的输出在等于磁极或分段的宽度的行程距离(行程方向上的宽度)上从零到180°单调增加。假定分段具有相同的宽度，则在整个行程距离上输出有规律地重复。传感器102的输出被任意地设置，从而在相邻分段之间的每个相遇点它近似在其中值(90°)处，并且在每个分段的近似中央处在最大值和最小值之间移动。然而，该布置不是对本发明的限制，这是因为传感器输出将随着磁场角改变而连续地改变，这与原点位置的位置无关、并且与导致传感器输出在其最大和最小值之间基本上瞬时地移动的场角度改变无关。
图5A和5B分别对于优选实施例图示了分别根据相对于磁设备66和64的x位置的霍尔传感器104的双状态输出(状态“0”或状态“1”)和磁阻传感器102的输出(角度，从0°到180°)。霍尔传感器的输出状态改变在可相对移动的构件或部分的行程上(例如在电枢的行程距离上)在被称作传感器系统的“原点”位置78(在图5A和5B中被标记为位置“0”的位置)处发生一次。优选地，两个磁设备和与这些磁设备相关联的传感器被物理地布置，从而当绝对位置传感器正在感测状态过渡时增量位置传感器正在感测已知循环。这允许传感器系统在感测状态过渡时确定绝对位置，然后随着从原点位置移动所述部分而维持绝对位置感测。为了避免位置确定的模糊性而应当避免的条件是当绝对位置传感器器正在感测状态过渡时增量位置传感器在其过渡中(在其低和高角度输出之间跳动或翻转)。
随着总成的可移动部分然后从其原点位置移动，在等于每个磁极或“分段”的宽度的距离上增量位置传感器的输出循环地重复。如果系统维持正在被感测的循环或分段的知识，则增量位置传感器的输出从而指示可移动部分相对于固定部分的绝对位置(循环和该循环内的位置)。
为了使得系统随着发生从原点位置的移动而跟踪增量位置传感器的循环，一个设计约束是，当以最大速度行进时，每个增量位置传感器102的采样所行进的最大距离必须保持小于从原点位置到输出在其高和低值之间跳动或翻转的最接近的位置(在非限制性优选实施例中是每个磁极的中央)处的距离。如果不满足该约束，则存在从原点位置移过“原点”位置任一侧上的过渡而没有感测磁场角(从而感测位置)的可能性。这将导致控制系统失去其对设备64的磁分段的计数的跟踪。
存在将允许位移的成功解码的增量磁条的磁极宽度(w)(米)、控制系统的采样速率(fs)(采样每秒)和传感器条相对于增量位置传感器的最大速度(vmax)(米每秒)之间的关系。增量位置传感器具有180°的全范围输出。解码器通过寻找比正常最大角度改变更大的从采样到采样的角度测量的改变来识别跳动或翻转。在一个例子中，为了保证解码是可能的，在最大速度的角度测量的正常改变需要小于|90°|。从而
180°/(W/vmax x fs)＜90°
图6是随着相对于磁分段117、119和121的移动、使用图2和3B中所示的实施例所取得的增量位置传感器输出数据的图形。在线性电机操作从而增量位置传感器输出以约0.5mm的间隔发生(每个磁设备64的磁分段或磁极的5mm宽度十个采样)的情况下、并且在来自磁阻传感器的180°输出的情况下，存在不多于每数据点18度的角度的最大的正常操作改变。分段计数(N)的运行时解码如下(在原点N＝0)：当在+x方向上穿过(在图6中向右)时，如果当前测量和先前测量之间的角度输出的差小于-90°(从而已经发生从最大值到最小值的跳动或翻转)，则增加分段计数(N＝N+1)。当在-x方向上穿过时，如果当前测量和先前测量之间的角度输出的差大于+90°(从而已经发生从最大值到最小值的跳动或翻转)，则减少分段计数(N＝N-1)。
图7A是示出使用本发明的一个实施例的启动的流程图200。在开始(步骤202)后，作为确定相对于任何特定感测循环的位置的手段而对增量位置传感器的输出(对于磁阻传感器被称为“MR”)进行解码(步骤204)。确定绝对位置传感器的输出状态(被称为霍尔状态)(步骤206)。一个状态(任意地被称为“0”)指示总成的可相对移动部分的相对移动的一部分。如果感测到该状态，则可移动部分被向状态过渡或原点位置移动(被称为“正”方向)(步骤208)。如果感测到另一状态(状态“1”)，则可移动部分在整体相对移动的另一不同的部分中，因此移动被迫使在另一方向(被称为“负”)中(步骤210)。移动继续直至状态改变(被称作“成功归位”)(步骤212)。如果自从启动以来的位移超过最大可允许位移(从行程的一端到磁状态或霍尔过渡的位置的最大距离)(或“标记”)，则指示错误(步骤214)。否则，增量位置传感器的解码状态被重置在原点位置(步骤216)。增量传感器的运行时解码然后开始(步骤218)，并且操作移动到图7B的流程图230。
初始化增量分段计数器(步骤232)。参考以上描述，这意味着计数器被设置到原点磁分段或磁极。增量位置传感器输出被用于确定其改变(步骤234)。如果传感器输出已经重复(步骤236)，则计数器被改变(步骤240)。然后计算实际位移(步骤238)。分段已知(计数器N)，并且这与增量位置传感器输出一同足以使得控制器确定绝对位置。作为替代，如果只需要得知粗略位置(例如在磁设备64的分段的宽度内)，则绝对位置可以基于正在被感测的循环而不是增量位置传感器的相对输出。
如果计数器与绝对位置传感器的状态一致(步骤242)，则正常操作继续。如果不一致从而意味着系统已经某种程度失去了对分段的跟踪，则指示错误(步骤244)。错误也可以基于已经计数(移过)的分段数目与整体分段数目相比之间的不一致。例如，如果在移动的每一半中(在原点位置的每侧上)存在10个分段，而控制器已经在电枢行程的一半中跟踪了11个分段之上的运动，则指示错误。由于在设备64的感测表面附近的磁场的每个循环存在两个磁极或分段，所以跟踪分段等价于跟踪磁场循环。
在图8中示出了本发明可以用在其中的环境。这是可以与本发明一同使用的定位系统的非限制性实施例。系统300包括车辆座椅302，其纵向(沿箭头312的方向)上下移动从而抵消座椅302的振动和其他加速度。主动纵向座椅悬挂系统304影响座椅302相对于固定基座306的运动。主动悬挂系统304包括作为其组成部分的一个或多个致动器。致动器能够生成其幅度和方向可以与悬挂的位置和运动无关而被控制的力。在一些实施例中，一个致动器是诸如线性或旋转、单相或多相的电磁电机之类的电磁致动器。在该例子中，致动器308是多相电磁线性电机，而致动器310是单相力偏置消除器，其可以利用气缸来实现。
图9示出了可以用于图8的主动悬挂座椅的控制和定位系统320。控制和定位系统320包括被设计和操作从而消除可移动部分或装置322(例如座椅302)上的力偏置的一个致动器326、以及被设计和操作从而最小化装置322上的加速度的第二致动器324。力偏置消除器326可以是被设计为消除力偏置从而使得抵消加速度的第二致动器324无需维持dc力的单相致动器。一个例子是充气或泄气以改变座椅的位置的气缸。绝对位置传感器和增量位置传感器(都未在图中示出)感测装置322的位置并且将它们的输出提供给解码器330，解码器330输出装置322的绝对位置。控制算法332建立恰当的控制信号并且将它们通过功率电子电路334提供给致动器324(线性电机)，并且通过加压空气源336提供给致动器326。制动器324被控制从而抵消座椅加速度。
系统320被如下初始化。绝对位置传感器被用于确定电枢(从而座椅)位于行程的哪一半。然后控制器导致气缸通过根据需要使气缸充气或泄气而将座椅向原点位置移动。当感测到原点位置时，系统能够确定座椅的绝对位置。
其他实施方式在所附权利要求的范围内。

Claims (36)

1.一种控制系统，其控制使总成的可相对移动的部分移动的一个或多个致动器，从而控制所述总成的所述部分的位置，该控制系统包括：
具有双状态输出的绝对位置传感器，一个状态指示所述相对移动的第一部分，而另一状态指示所述相对移动的第二不同的部分；
增量位置传感器，其具有在与所述相对移动相关联的多个重复循环中的每个的至少一部分上连续变化的输出；以及
控制器，其接收两个传感器的输出；
其中，在启动时，所述总成的所述部分中的至少一个移动直至所述绝对位置传感器改变状态，并且作为响应，所述控制器确定所述总成的所述部分的绝对位置。
2.如权利要求1所述的控制系统，其中所述控制器跟踪指示当前正在被所述增量位置传感器感测的循环的信息，并且其中在启动之后，在所述总成的所述部分的相对移动时所述控制器基于所述多个循环中的哪个当前正在被所述增量位置传感器感测的识别、以及所述增量位置传感器的输出这两者来确定所述总成的所述部分中的至少一个的绝对位置。
3.如权利要求2所述的控制系统，其中在启动时，所述控制器至少部分基于所述多个循环中的哪个当前正在被所述增量位置传感器感测的识别，来确定所述总成的所述部分的绝对位置。
4.如权利要求2所述的控制系统，其中循环的总数目是固定的，并且如果被跟踪的循环的数目超过预定循环数目，则所述控制器检测到错误。
5.如权利要求3所述的控制系统，其中所述绝对位置传感器被用于确认循环的正确跟踪。
6.如权利要求1所述的控制系统，其中所述传感器是非接触传感器。
7.如权利要求6所述的控制系统，其中所述绝对位置传感器包括霍尔传感器，并且所述增量位置传感器包括磁阻传感器。
8.一种操作控制系统的方法，所述控制系统控制使总成的一个或多个可相对移动的部分移动的一个或多个致动器，从而控制所述总成的所述部分的位置，所述控制系统包括：具有双状态输出的绝对位置传感器，一个状态指示所述总成的所述部分的相对移动的第一部分，而另一状态指示所述相对移动的第二不同的部分；增量位置传感器，其具有在与所述相对移动相关联的多个重复循环中的每个的至少一部分上连续变化的输出；以及控制器，其接收两个传感器的输出并且输出控制信号，该方法包括：
导致所述控制器输出信号，所述信号导致所述总成的至少一部分移动直至所述绝对位置传感器的状态改变；以及
至少基于所述增量位置传感器的输出来确定所述总成的所述部分中的至少一个的绝对位置。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述控制器跟踪指示当前正在被所述增量位置传感器感测的循环的信息，并且其中在所述总成的所述部分的相对移动时所述控制器基于所述多个循环中的哪个当前正在被所述增量位置传感器感测的识别、以及所述增量位置传感器的输出这两者来确定所述总成的所述部分中的至少一个的绝对位置。
10.如权利要求9所述的方法，其中循环的总数目是固定的，并且如果被跟踪的循环的数目超过预定循环数目，则所述控制器检测到错误。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述绝对位置传感器被用于确认循环的正确跟踪。
12.一种用于将总成的可移动部分相对于所述总成的另一部分定位的定位系统，该定位系统包括：
电磁电机，其包括定子以及耦合到所述总成的可移动部分并且可相对所述定子在行程距离上移动的电枢；
单相致动器，其耦合到所述总成的可移动部分；
第一磁设备，其耦合到所述电枢，所述第一磁设备定义包括多个磁极的感测表面，所述多个磁极提供它们之间的磁化状态过渡位置；
具有双状态输出的磁极传感器，所述磁极传感器与所述第一磁设备相邻而耦合到所述定子，从而随着所述电枢相对于所述定子在所述行程距离上移动，所述第一磁设备移过所述磁极传感器，其中所述磁极传感器输出的一个状态指示所述相对移动的第一部分，而另一状态指示所述相对移动的第二不同的部分；
第二磁设备，其耦合到所述电枢，所述第二磁设备定义包括多个相邻交替相反磁极的感测表面，所述多个相邻交替相反磁极创建其感测表面附近的循环变化的磁场；
磁场角传感器，其与所述第二磁设备相邻而耦合到所述定子，从而随着所述电枢相对于所述定子移动，所述第二磁设备的循环变化的磁场移过所述磁场角传感器，所述磁场角传感器感测所述第二磁设备的磁场的角度并且具有在所述循环变化的磁场的多个循环中的每个的至少一部分上与所述磁场角相关连续变化的输出；以及
控制器，其响应于两个传感器，并且控制所述单相致动器移动所述总成的可移动部分，直至所述磁极传感器的输出改变状态，并且响应于所述状态改变，所述控制器确定所述总成的所述部分中的至少一个的绝对位置。
13.如权利要求12所述的定位系统，其中所述电磁电机包括线性多相电磁电机，并且所述单相致动器包括气缸。
14.如权利要求13所述的定位系统，其中所述控制器跟踪指示当前正在被所述磁场角传感器感测的循环的信息，并且其中在所述总成的所述部分的相对移动时所述控制器基于所述多个循环中的哪个当前正在被所述磁场角传感器感测的识别、以及所述磁场角传感器的输出这两者来确定所述总成的所述部分中的至少一个的绝对位置。
15.如权利要求14所述的定位系统，其中所述磁极传感器包括霍尔传感器，并且所述磁场角传感器包括磁阻传感器。
16.如权利要求15所述的定位系统，其中所述可移动部分包括机动车中的座椅。
17.一种装置，其包括：
线性电机，其包括定子和可相对所述定子在行程距离上移动的电枢；
第一磁设备，其耦合到所述电枢，所述第一磁设备定义包括多个磁极的感测表面，所述多个磁极提供它们之间的磁化状态过渡位置；
磁极传感器，其与所述第一磁设备相邻而耦合到所述定子，从而随着所述电枢相对于所述定子在所述行程距离上移动，所述第一磁设备移过所述磁极传感器，所述磁极传感器感测所述第一磁设备的相邻的磁极；
第二磁设备，其耦合到所述电枢，所述第二磁设备定义包括多个相邻交替相反磁极的感测表面，所述多个相邻交替相反磁极创建其感测表面附近的循环变化的磁场；以及
磁场角传感器，其与所述第二磁设备相邻而耦合到所述定子，从而随着所述电枢相对于所述定子移动，所述第二磁设备的循环变化的磁场移过所述磁场角传感器，所述磁场角传感器感测所述第二磁设备的磁场的角度并且具有在所述循环变化的磁场的一个循环的至少一部分上与所述磁场角相关连续变化的输出。
18.如权利要求17所述的装置，其中所述磁极传感器包括霍尔传感器。
19.如权利要求18所述的装置，其中所述磁场角传感器包括磁阻传感器。
20.如权利要求19所述的装置，其中所述磁场角传感器包括双极霍尔传感器，并且所述磁场角传感器具有180°的全范围输出，从而其输出对于所述第二磁设备的每个磁场循环重复两次。
21.如权利要求17所述的装置，其中所述第一磁设备至少是所述电枢的行程距离的一半长，并且所述第二磁设备至少像所述电枢的行程距离那样长。
22.如权利要求17所述的装置，其中所述第二磁设备的相邻磁极在磁化状态过渡位置相遇，并且其中所述第一磁设备和第二磁设备耦合到所述电枢，从而所述第一磁设备的磁化状态过渡位置和所述第二磁设备的至少一个磁化状态过渡位置之间存在已知和定义的空间关系。
23.如权利要求22所述的装置，其中所述第一磁设备的过渡位置相对于所述第二磁设备的感测表面的长度近似处于中央。
24.如权利要求22所述的装置，所述磁场角传感器输出在每个磁场循环上在至少一个位置重置，并且其中所述第一磁设备和第二磁设备被布置为使得当所述磁极传感器与所述第一磁设备的过渡位置相邻时，所述磁场角传感器不与其重置的位置相邻。
25.如权利要求17所述的装置，其进一步包括第三磁设备，所述第三磁设备与所述第一磁设备相邻而耦合到所述电枢，所述第三磁设备定义感测表面，所述感测表面在电枢行程距离上定义单个磁化状态过渡位置，其中所述第一磁设备和第三磁设备的感测表面每个包括至少两个磁极，并且其中所述第一磁设备和第三磁设备的相邻磁极具有相反极性。
26.一种装置，其包括：
线性电机，所述线性电机包括定子和可相对所述定子在行程距离上移动的电枢；
第一磁设备，其耦合到所述电枢，所述第一磁设备定义包括多个磁极的感测表面，所述多个磁极提供它们之间的磁化状态过渡位置；
磁极传感器，其与所述第一磁设备相邻而耦合到所述定子，从而随着所述电枢相对于所述定子在所述行程距离上移动，所述第一磁设备移过所述磁极传感器，所述磁极传感器感测所述第一磁设备的相邻的磁极；
第二磁设备，其耦合到所述电枢，所述第二磁设备定义至少像所述电枢的行程距离那样长并且包括多个相邻交替相反磁极的感测表面，所述多个相邻交替相反磁极创建其感测表面附近的循环变化的磁场；以及
磁场角传感器，其与所述第二磁设备相邻而耦合到所述定子，从而随着所述电枢相对于所述定子移动，所述第二磁设备的循环变化的磁场移过所述磁场角传感器，所述磁场角传感器感测所述第二磁设备的磁场的角度并且具有在所述循环变化的磁场的一个循环的至少一部分上与所述磁场角相关连续变化的输出；
其中所述第二磁设备的相邻磁极在磁化状态过渡位置相遇，并且其中所述第一磁设备和第二磁设备耦合到电枢，从而所述第一磁设备的磁化状态过渡位置和所述第二磁设备的至少一个磁化状态过渡位置之间存在已知和定义的空间关系，并且其中所述磁场角传感器输出在每个磁场循环上在一个或两个位置重置，并且其中所述第一磁设备和第二磁设备被布置为使得当所述磁极传感器与所述第一磁设备的过渡位置相邻时，所述磁场角传感器不与其重置的位置相邻。
27.一种用于确定总成的在行程距离上移动的一个或多个可相对移动的部分的位置的传感器系统，该传感器系统包括：
第一磁设备，其耦合到所述总成的第一部分，所述第一磁设备定义包括多个磁极的感测表面，所述多个磁极提供它们之间的磁化状态过渡位置；
绝对位置传感器，其与所述第一磁设备相邻而耦合到所述总成的第二部分并且具有双状态输出，其中当随着所述部分相对彼此在所述行程距离上移动而所述第一磁设备的磁化状态过渡移过所述绝对位置传感器时，所述输出状态改变；
第二磁设备，其耦合到所述总成的第一部分，所述第二磁设备创建其感测表面附近的循环变化的磁场；
增量位置传感器，其与所述第二磁设备相邻而耦合到所述总成的第二部分，并且具有对于所述第二磁设备的循环变化的磁场的每个循环重复至少一次的输出。
28.如权利要求27所述的传感器系统，其中所述绝对位置传感器包括霍尔传感器。
29.如权利要求28所述的传感器系统，其中所述增量位置传感器包括磁场角传感器，所述磁场角传感器耦合到所述总成的第二部分，从而随着所述第二磁设备的循环变化的磁场移过所述磁场角传感器，所述磁场角传感器感测所述第二磁设备的磁场的角度并且具有在所述循环变化的磁场的一个循环的至少一部分上与所述磁场角相关连续变化的输出。
30.如权利要求29所述的传感器系统，其中所述第二磁设备定义包括多个相邻交替相反磁极的感测表面，所述多个相邻交替相反磁极创建其感测表面附近的循环变化的磁场。
31.如权利要求30所述的传感器系统，其中所述磁极传感器包括双极霍尔传感器，并且所述磁场角传感器具有180°的全范围输出，从而其输出对于所述第二磁设备的每个磁场循环重复两次。
32.如权利要求30所述的传感器系统，其中所述第一磁设备至少是所述行程距离的一半长，并且所述第二磁设备至少像所述行程距离那样长。
33.如权利要求32所述的传感器系统，其中所述第二磁设备的相邻磁极在磁化状态过渡位置相遇，并且其中所述第一磁设备和第二磁设备并排耦合到所述电枢，从而所述第一磁设备的磁化状态过渡位置和所述第二磁设备的相邻预定磁化状态过渡位置之间存在已知和定义的空间关系。
34.如权利要求33所述的传感器系统，其中所述第一磁设备的过渡位置相对于所述第二磁设备的感测表面的长度近似处于中央。
35.如权利要求33所述的传感器系统，其中所述磁场角传感器输出在每个磁场循环上在至少一个位置重置，并且其中所述第一磁设备和第二磁设备被布置为使得当所述霍尔传感器与所述第一磁设备的过渡位置相邻时，所述磁场角传感器不与其重置的位置相邻。
36.如权利要求33所述的传感器系统，该传感器系统进一步包括第三磁设备，所述第三磁设备在所述第一磁设备旁边而耦合到所述总成的第一部分，所述第三磁设备定义感测表面，所述感测表面在所述行程距离上定义单个磁化状态过渡位置，其中所述第一磁设备和第三磁设备的感测表面每个包括至少两个磁极，并且其中所述第一磁设备和第三磁设备的相邻磁极具有相反极性。
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