CN103201596A - 适于通过多次转动提供输入部件的角位置的指示的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适于通过多次转动提供输入部件(106)的角位置的指示的设备(100)，该设备包括被配置为在使用中根据输入部件(106)旋转而旋转的至少两个可旋转部件(104A-104D)，和被配置为测量和输出所述可旋转部件中的至少一个的角位置的至少一个检测装置(114A)。所述可旋转部件被配置为同时但以不同的速率旋转。该设备还包括被配置为使用来自所述至少一个检测装置的角位置测量值通过多次转动产生所述输入部件的角位置的指示的装置(114)。

Description

适于通过多次转动提供输入部件的角位置的指示的设备
技术领域
本发明适于通过多次转动提供输入部件的角位置的指示的设备。
背景技术
位置指示装置，如编码器，用在多种应用中，例如，包括检测操作流体阀所需要的机械传动致动器的位置。绝对编码器为可以以绝对意义识别输入部件的位置的编码器，诸如作为具体角位置。这种编码器可能掉电，并且在电力恢复时将通常仍然能够以绝对项指示所述位置，即使编码器在电力断开的同时移动。多匝绝对编码器通常包括用于通过多次转动确定绝对位置的数个齿轮。然而，如果编码器的检测装置碰巧落入中间位置，例如，在两个变址位置之间，则测量值可能是模糊的。进一步，如果一个检测元件出现故障，则整个编码器装置通常将出现故障。
发明内容
本发明的实施例的意图是解决上述问题中的至少一些。
根据本发明的第一方面，提供了一种适于通过多次转动提供输入部件的角位置的指示的设备，该设备包括：
至少两个可旋转部件，所述至少两个可旋转部件被配置为在使用中根据输入部件旋转而旋转；
至少一个检测装置，所述至少一个检测装置被配置为测量和输出所述可旋转部件中的至少一个的角位置，和
被配置为使用来自所述至少一个检测装置的角位置测量值通过多次转动产生所述输入部件的角位置的指示的装置，
其中所述可旋转部件被配置为同时但以不同的速率旋转。
每个可旋转部件可以具有关于其它可旋转部件的任何唯一的转数比。每个可旋转部件可以具有任何唯一(在所述可旋转部件中)的转数比，并且转数比的选择可以不存在任何限制，例如，转数比不需要被选择为满足特定关系，例如与需要可旋转部件具有整数基数的分度位置的解密算法一起工作。可替换地，可以根据一个或多个设计参数进行转数比的选择。例如，可旋转部件可以被设置为使得在所述转数比之中不存在公因数(除了1)。可旋转部件可以包括具有不同齿数的齿轮。
在使用中，所述可旋转部件通常以连续的、非步进方式沿着所述输入部件移动。检测装置可以提供所述可旋转部件中的一个或多个的在360°的范围内绝对位置测量值，例如，采用光学、磁性或RF检测技术。该设备可以包括A到N个所述可旋转部件，每个可旋转部件具有对应的转数比RA至RN，并且其中所述检测装置具有被计算为下式的最大可允许峰值误差：
Figure BDA00002851680100021
在一些实施例中，所述多个可旋转部件中的一个可以为驱动所有剩余的所述可旋转部件的初级可旋转部件(即，剩余的可旋转部件不去移动任何其它可旋转部件)。
所述多个可旋转部件中的每一个可以具有名义上零/初始/起始(旋转)位置。产生所述输入部件的角位置的指示的装置可以被配置为通过计算所述可旋转部件已经从它们的零位置开始通过多远而产生位置指示。由产生所述输入部件的角位置的指示的装置进行的计算可以包括使所述可旋转部件中的至少一个，并且通常全部，虚拟地回绕至它们各自的零位置。产生所述输入部件的角位置的指示的装置可以被配置为：
使一序列的可旋转部件(104A)中第一个可旋转部件虚拟地回绕(402)至其零位置；随后
针对除了该序列中的第一个可旋转部件之外的每个所述可旋转部件：
基于该序列中的先前的可旋转部件在虚拟地回绕时已经转动的角度计算所述可旋转部件的虚拟地位置，以及
虚拟地回绕该序列中的所述可旋转部件和所有所述先前的查旋转部件，使得它们位于它们的零位置处。
计算步骤可以采用在该序列中的所述先前的可旋转部件位于它们的零位置处时表示所述可旋转部件的位置的存储数据，如查找表，以及在所述可旋转部件处于对应的所述位置时表示该序列中的所有先前的可旋转部件已经总共多少次通过它们的零位置的数据。
可旋转部件可以是以共面或同轴方式设置的。
包括多于一个所述检测装置的组件被设置为用于测量单个所述可旋转部件的位置，使得在该组件中的一个检测装置出现故障时，则使用该组件中的另一个检测装置代替。
可以不向所述设备提供恒定功率。在一些实施例中，检测装置测量所述可旋转部件的、由电力未被提供至该设备时发生的运动导致的位置。可以包括用于使得能够在所述可旋转部件移动时激活所述检测装置的开关结构。
根据本发明的另一个方面，提供了一种通过多次转动提供输入部件的角位置的指示的方法，该方法包括下述步骤：
测量至少两个可旋转部件的角位置，所述至少两个可旋转部件被配置为在使用中根据输入部件旋转而旋转，所述可旋转部件被配置为同时但以不同的速率旋转，以及
采用角位置测量值通过多次转动产生所述输入部件的角位置的指示。
该方法还可以包括下述步骤：
在一时间周期内获取多个可旋转部件中的第一个可旋转部件的位置测量值；
在该时间周期获取多个可旋转部件中的另一个可旋转部件的位置测量值给定第一个可旋转部件的测量位置和所述多个可旋转部件的旋转之间的已知的关系，将所述另一个可旋转部件的测量位置与所述另一个可旋转部件的预期位置进行比较，以及
在所述另一个可旋转部件的测量位置不与所述预期位置对应时，标记可能读数误差状态。
该方法可以包括通过检测所述可旋转部件中的至少一个的角旋转的缺失检查读数误差的步骤。
该方法可以包括通过采用与单个可旋转部件的角位置相关联的数据，或可旋转部件的子集的位置的组合，确定输入部件的绝对位置。该方法可以包括，在检测到所述可旋转部件中的一个(或多个)出现故障时：
测量无故障的所述可旋转部件的角位置，以及
采用无故障的可旋转部件的角位置测量值通过减小的多次转动范围产生所述输入部件(106)的角位置的指示。
该方法还可以包括下述步骤：
提供与所述可旋转部件中的至少一个相关联的至少一个递增计数器，以及
采用来自所述至少一个递增计数器的输出，基于至少一个相关联的可旋转部件的多次转动的计数，计算所述输入部件的位置。
根据本发明的可替换方面，提供了一种通过多次转动提供输入部件的角位置的指示的方法，该方法包括下述步骤：
测量多个可旋转部件的位置，在使用中，所述多个可旋转部件根据输入部件的运动而移动，每个可旋转部件具有名义上零/初始/起始(旋转)位置，以及
计算可旋转部件已经从它们的零位置通过多远以产生输入部件多转动角位置指示。
还可以提供一种计算机程序产品，其被配置为大致如在本文中描述的方法的至少一部分。
本发明扩展至本文中描述的任何特征，或特征的任何组合，无论在本文中是否明确描述该组合。
附图说明
可以以多种方式实现本发明，仅参照附图描述或图示了一个示例，在附图中：
图1为部分组装的示例性实施例的平面图；
图2为该示例性实施例的分解图；
图3为示例性实施例中的检测元件示意图；
图4为示出该实施例的操作的流程图，包括位置计算步骤和齿轮”虚拟地回绕”步骤；
图5详述位置计算步骤；
图6详述齿轮”虚拟地回绕”步骤；
图7A-7D涉及该实施例的操作的处理过的示例；
图8A和8B图示该装置的可旋转部件的角测量的示例，以及
图9为示出包括递增计数器的设备的操作的流程图。
具体实施方式
参照图1和2，示出示例性位置指示装置100。该装置包括壳体基板102，可旋转部件104A-104D可以装配在该壳体基板102上。在该示例中，具有四个可旋转部件，其采取齿轮104A-104D的形式。然而，将会认识到，可以使用其它类型的可旋转部件，并且它们不需要包括用于直接彼此驱动的诸如齿之类的结构。
第一齿轮104A可以视为包括驱动其它三个齿轮104B-104D的初级齿轮，即三个其它齿轮104B-104D仅与第一齿轮104A的齿啮合，但彼此不啮合。第一齿轮由输入齿轮106驱动，输入齿轮106可以跟随输入部件旋转，例如，该输入部件可以为一列阀致动器(参见图3)。因此，第一齿轮104A由输入齿轮106直接驱动，而其它三个齿轮104B-104D由输入齿轮(经由第一齿轮104A)间接驱动。将会认识到，在其它实施例中，所述齿轮中的多于一个，或全部，可以由输入齿轮直接驱动。
示例装置100装配有处于它们的正确的“零位置”的齿轮104A-104D。为了对此进行辅助，所述齿轮(和/或壳体部件)中的一个或多个可以包括标记。在该示例中，第一齿轮104包括三个箭头形式的标记。这些标记的目的是与其它齿轮104B-104D上的对应标记的箭头对齐。此外或可替换地，“零位孔”107A-107D可以设置在齿轮上，其可以与基板102上的对应的标记/凹部123B-123D(在图2中可以看到一些)对齐。夹具(未示出)可以用来辅助组装。条形码标记111可以装配在装置100以及上部泡沫填料116中。
在示例装置中，齿轮和壳体部件包括模制塑料部件。由于对该装置中的反冲的高度容许及其低的精度要求，可以使用这种低成本部件；然而，将会理解，可以使用其它材料，并且该装置的结构和尺寸可以不同于图示的示例。具有如在图示的示例中一样的齿轮104A形式的单个驱动结构，具有减少反冲的影响的益处；然而，将会认识到，可以采用其它结构，如，彼此驱动的齿轮系。
返回图1和图2中图示的示例，四个齿轮104A-104D中的每一个都装配有对应的传感器兼容部件110A-110D，例如，用于磁性检测装置的磁铁。隔离片108装配在齿轮和部件110之间。上壳体板113装配在所述部件上方，并且它还容纳印刷电路板114。该电路板包括用作检测装置(在114A处示意性地示出)的电路，该检测装置可以检测传感器兼容部件110A-110D的位置且从而在360°范围内提供四个齿轮的绝对位置测量值。检测配置可以基于任何角检测技术，例如，光学的、磁性的或RF。RF和磁性传感器还提供内置故障检测：如果磁铁从齿轮上分离或退磁，则传感器可以检测这种分离或退磁。同样可行的是采用提供模拟输出的传感器装置。
将会理解，在可替换实施例中，可旋转部件可以包括集成式传感器兼容部件，或可以由传感器以另一种方式，如通过视觉识别角位置，例如，通过检测可旋转部件的表面上的标记，确定它们的角位置。将会认识到，在可替换实施例中，检测装置和/或处理器可以远离装置的其它部件定位，例如，通过无线RF信号传递信号。在其它实施例中，检测装置可以置入可旋转部件/齿轮中。可以对图中示出的示例装置100产生其它变化。例如，可以以同轴而不是共面方式(或同轴/共面的组合，或任何其它配置)设置可旋转部件，这可以带来尺寸减小/设计益处。
如下文将描述的那样，电路114还包括处理器(在114B处示意性地示出)，该处理器被配置为采用检测装置测量值通过多次转动产生输入部件106的位置指示。虽然在该示例中显示数字电子处理器，但将会认识到，它提供的功能可以由合适的模拟部件/电路执行。
可以包括机械开关以使得能够在检测元件/齿轮已经开始移动之后激活电子检测。该开关可以被机械地或磁性地激活，并且因此不需要将恒定功率供给至该装置，因此潜在地降低该装置的整体功耗。在加电之后，该装置可以检测在电力断开时发生的任何运动，并采用测量值提供位置指示。示例装置包括齿轮113形式的磁性“唤醒”开关，该齿轮113在齿轮系旋转时旋转，并且可以用于触发至该装置的电力供给，但将会认识到，可以提供可替换的配置。
该装置中的可旋转部件可以被配置为以不同的速率旋转。在示例装置100中，这是通过在齿轮104A-104D上设置不同数量的齿实现的。然而，将会认识到，这可以通过不同的手段实现。例如，提供具有不同尺寸(如，半径或周长)的内部接合的可旋转部件会产生具有不同的转数比的部件。进一步，可以使用未彼此直接接合/驱动的可旋转部件，如多个盘，该部件可以由输入部件直接驱动，或者通过带或链条传动装置或任何其它齿轮机构连接在一起。
将通过在旋转部件的重复图案出现之前计算首先被分析的或“初级”部件的最大匝数而确定该装置的工作范围，在该重复图案出现时，不再根据所述部件的单独的位置确定绝对位置。这可以被计算为使该装置从其参考位置开始旋转直到它返回该位置所需要的匝数。为了改进该工作范围，可以增加转数比的最小函数。
例如，在其中该装置包括两个可旋转部件A和B的简单情况中，如果两个部件的转数比分别为10和20，则这些转数比的公因数为10，并且因此可以被简化为1∶2比率。这种组件可以仅用来通过两匝给出位置指示。然而，如果齿轮B被选择为具有21个齿而不是20个，则将不具有这种公因数，并且最简单的表达式将保持为10∶21。假设存在这种关系，如果A将旋转两次，则部件B将从其零位置移动至位置342.9°(720°×10/21)。当两个部件都不处于它们的参考位置并且该装置还未返回至其整体起始位置时，该装置的范围可以被计算为部件A在部件B处于零位置时必须旋转的次数，即21匝。当部件B已经精确地旋转10圈时，A和B都将为零，并且该装置将处于其整体起始位置。
在常规多匝绝对编码器配置中，在所述部件之间存在机械分度机构，该机械分度机构在先前的部件的限定的旋转之后递增每一个，即如果一部件已经被变址某些次数，则先前的部件将已经旋转已知的量。然而，在连续地移动(沿着输入部件)本文中描述的非步进位置-提供装置中不存在这种分度机构；确切地说，该装置的实施例可以具有虚拟分度机构，其可以采用下述解密算法的形式。为每个可旋转部件定义参考(或起始/初始/零)位置，并且这些参考位置可以位于360°可能的旋转中的任何位置，假设每个部件以所有的部件可以同时处于它们的参考位置的方式移动。这将通常限定该装置的整体零位置。
这种“虚拟分度机构”具有获得几乎任意查找位置测量值并且允许对它们进行解码以提供实际位置的指示的效果。在常规分度机构中，按顺序测量每个部件，取决于该分度机构，每个部件将占该位置的一定比例。该信息在读取所述部件时是立即可用的；然而，在本装置的实施例中，可以不具有这种明显的关系。为了对位置进行解码，按顺序检测每个部件并且随后进行解码。必须使用初级部件以发现下一个可旋转部件的“回绕”位置。该计算步骤提供与输入部件的绝对位置直接相关的信息。为了获得该绝对位置，测量可旋转部件的角位置，并且随后进行计算以发现旋转基值，以便进行下一次计算，等等。
参照图3，给出四个齿轮104A-104D的齿数的示例如下：齿轮104A：22个齿，齿轮104B：26个齿，齿轮104C：34个齿，齿轮104D：36个齿，并且因此齿轮104A-104D的转数比的最小应变量分别为11、13、17和18。示例性转数比意味着齿轮104A将以齿轮104B的速度的13/11倍的速度旋转，齿轮104D将以齿轮104C的速度的17/18倍的速度旋转等等。这些转数比不具有整数公因数；然而，例如，如果转数比为11、13、15和18，则代替的是，将存在公因数3(针对15和18)，这将对齿轮一起移动的方式和输入部件在重复位置顺序出现之前可以旋转多远存在影响，因此将减小绝对范围。
当第一齿轮104A用作初级测量齿轮时，该齿轮的最大匝数等于其它齿轮104B-104D的最小应变量之积，从最大匝数可以获得该机构的绝对位置。因此，通常，n个齿轮(表示为A，B，C，...，n)的组合可以用来确定X匝范围内的绝对齿轮位置。如果第一齿轮104A用作初级测量齿轮，则可以由下述等式确定该装置的绝对位置范围：
X＝B×C×D...×n
其中B，C，D，...n为每个齿轮之间的转数比的最小应变量，并且在所有被检测元件的转数比的最小应变量之间不存在公倍数。因此，对于图3的示例，X＝3978(13×17×18)。在另一个示例中，四个齿轮上的齿数为：齿轮104A：7个齿，齿轮104B：11个齿，齿轮104C：13个齿，齿轮104D：15个齿，在该情况中X＝2145。
为了获得输入部件106的总旋转次数，每个齿轮104A-104D虚拟地“回绕”至它们的零位置。在这种做的同时，记录总旋转次数以便它可以与输入部件的位置相关联。在示例装置中，首先记录第一齿轮104A的旋转读数。因此，通过记录该装置中的所有齿轮已经旋转多远，能够计算输入部件的当前多匝位置。将会认识到，齿轮通常不是实体地回绕的；例如，可以使用意图用于计算运动/旋转次数的软件/固件模拟，或者具有该功能的任何机电或电子实施方案。
参照图4，示出计算总旋转次数的示例方法的流程图。在接下来的描述将使用下述符号，齿轮104A-104D分别被称为“A”-“D”：
Figure BDA00002851680100091
：齿轮A位置
Figure BDA00002851680100092
：齿轮B位置
Figure BDA00002851680100093
：齿轮C位置
Figure BDA00002851680100094
：齿轮D位置
PR：初级比(在图3的示例中为1∶2，即，输入列的两次旋转＝初级齿轮A的1次旋转)
RA：齿轮A齿比(在该示例中为11，即，去除任何公因数的齿轮齿数)
RB：齿轮B齿比(在该示例中为13)
RC：齿轮C齿比(在该示例中为17)
RD：齿轮D齿比(在该示例中为18)
θ总：总齿轮A匝数
θA：从A开始回绕的齿轮A匝数
θB：从B开始回绕的齿轮A匝数
θC：从C开始回绕的齿轮A匝数
θD：从D开始回绕的齿轮A匝数
XB：从B开始的零循环数
XC：从C开始的零循环数
XD：从D开始的零循环数
在步骤402处，初级齿轮104A虚拟地“回绕”至其零位置。实现这种回绕所需要的旋转次数对应于其当前位置
Figure BDA00002851680100101
并且因此
Figure BDA00002851680100102
在步骤404处，与该装置中的下一个齿轮相关的分析开始。按顺序考虑齿轮，从(在齿轮A之后)具有最少齿数的齿轮开始，按顺序发展到具有最大齿数的齿轮，虽然可以采用任何顺序。因此，在这些步骤的第一次迭代中，将分析齿轮B。在流程中示出并在下文涉及的公式中，字母N用来涉及所考虑的“当前”齿轮。在步骤406处，计算齿轮B的位置。图5图示该计算中涉及的步骤。在步骤502处，先前的回绕距离和齿轮比用来采用图5中示出的通式计算齿轮B的新的位置
Figure BDA00002851680100103
应用于齿轮B的通式变为：
ΦB＝(θA)×(RA/RB)
ΦB将用于如下所述的查找表，以确定已经发生多少次零序交叉。
在步骤504处，转换
Figure BDA00002851680100104
使得它们落入零和最大位置之间。这种转换是环绕操作，以便输出0.0和360.0°之间的位置。例如，如果测量值为345.0°并且转数比为RA＝23且RB＝21，则
Figure BDA00002851680100105
将为345×23/21＝377.86°并且因此通过减去360°到17.86°而被卷绕。θa可以大于360°
返回图4，在步骤408处，齿轮B“回绕”至其零位置。图6详述该操作中涉及的步骤。在步骤602处，采用(下文将描述的)查找表找到齿轮的旋转贡献指数(即，该序列中所有先前的齿轮已经总共多少次通过它们的零位置)XN。在步骤604处，采用图6中示出的通式计算初级齿轮(A)由于当前齿轮至其零位置的回绕引起的运动。
返回图4，在步骤410处，进行关于是否已经分析该装置中的所有齿轮的检查。如果还未分析该装置中的所有齿轮，则控制返回步骤404，其中为齿轮C(并且随后为齿轮D)进行上述步骤406-408。如果已经分析了所有的齿轮，则控制从步骤410经过到步骤412，其中计算输入栏的总旋转。这可以通过采用总初级齿轮(A)旋转度数和初级比计算输入部件的绝对位置而实现：
位置＝初级比×(θA+...+θN)
现在将参照图7A-7D给出处理示例。图7A示出当进行绝对位置的测量时处于给定状态702A的齿轮A-D。如上所述，第一步骤(图4的步骤402)是使初级齿轮A“回绕”至零，如在702B处示意性地/概念性地示出的那样(齿轮盘上的圆圈表示其当前位置，并且所有的零位置都处于0°)。这可以通过在记录旋转值的同时获取齿轮A的当前位置并将回绕至零而实现。例如，如果齿轮A位于位置57.43°，则回绕它等同于将它转动-57.43°。在知道齿轮A已经在概念上旋转该角度之后，能够基于齿轮比算出其它齿轮已经转动多远。
接下来，当齿轮A在其概念上的零位置处返回时，基于齿轮比和齿轮A在概念上转动的量计算下一个齿轮(齿轮B)的位置。齿轮B随后在概念上回绕，使得两个齿轮A和B都位于它们的零位置处，如在图7B中的704处示意性地示出的那样。这可能涉及齿轮B的数次旋转，因为当该系统中的一个齿轮移动时，所有的齿轮都旋转。该过程继续，直到整个齿轮系在概念上返回到其零位置处。
由于齿轮A已经返回，计算齿轮B的新的位置(步骤406)。这可以通过获得使齿轮A返回其零位置所需要的总旋转次数并应用齿轮比进行，以获得齿轮B中的变化。由于该值表示旋转位置，通过零或完整转动必须被处理：
Figure BDA00002851680100111
这是齿轮A在齿轮B到达其零位置(步骤408)时必须再次旋转以到达其零位置的次数。该值被记录并添加至来自回绕齿轮A的旋转。
用于滚动每个后续齿轮的程序等同于使齿轮B返回的程序：每一个都基于回绕先前的齿轮之后的位置和多个齿轮之间的转数比。首先根据齿轮A迄今为止的总回绕旋转读数计算齿轮C的位置，并且同时据此，查找表用来发现先前的齿轮A和B已经移动通过零的次数。该次数随后用来发现第一齿轮A必须旋转多少以使齿轮A，B和C都位于它们的零位置(在图7C中在706处示意性地示出)。这种移动值是齿轮A和B总共位于零位置的次数乘以齿轮B的运动的相对比(在该示例中为13)。这些次数源自对使齿轮A和B一起位于它们的零位置的需求；因此，齿轮A必须移动13的多倍以将齿轮B保持在其零位置。一旦这个过程完成，则齿轮A，B和C都应当位于零，并且随后分析齿轮D：
φ C = φ C - ( ( θ A + θ B ) × R A R C )
θC＝XC×RB
用于分析齿轮D的过程等同于齿轮C的过程，除了第一齿轮还必须以17的倍数移动以结合齿轮C必须保持在零处的事实：
θD＝XD×RB×RC
一旦所有的齿轮A-D都虚拟地回绕至它们的零位置(在图7D中在708处示意性地示出)，则最后的步骤是从每个回绕齿轮回顾第一齿轮的总旋转度数并合并它们，且随后采用初级比将该值与输入部件相关联，即：
θ总＝θA+θB+θC+θD
绝对位置＝P.R.×θ总
如上所述，查找表可以用来找到该装置中的先前齿轮已经通过它们的零位置的次数，以针对特定齿轮计算当前位置。随后可以将所关注的齿轮的“回绕”位置与这些存储位置和用来给出先前齿轮零序的数量的对应位置进行比较。将会认识到，这是任选的，并且可以通过另一种数学方法或以另一种方式存储的数据确定零位置通过。以下给出用于图3的示例装置的示例性查找表：
Figure BDA00002851680100122
Figure BDA00002851680100131
该表中的用于每个齿轮B-D的左手栏示出该序列/顺序(A，B和C)中的先前齿轮都位于它们的零位置时该齿轮的位置。该齿轮的表中的右手栏示出在该齿轮处于在左手栏中指示的对应位置时，所有先前齿轮总共已经多少次通过它们的零位置的。采用该表，因此能够通过将计算的齿轮位置与理论位置进行比较并匹配最接近的值而发现先前齿轮已经通过的零位置的数量。重要的是，注意到，如果齿轮比下一个最大值更接近完整旋转，即1，则这被处理为完整旋转，并且因此零位置。
通过移动齿轮通过它们的零位置并且针对每次循环记录齿轮的位置直到它重复，可以产生该查找表。这可以例如通过执行软件模拟进行。详细地，计算查找表中的齿轮B部分是移动通过齿轮A的零循环的问题，因为这是齿轮B之前的仅有的齿轮。在其重复之前，齿轮B将具有对于A的每个零位置的13个不同的位置；在齿轮A的13次完整旋转之后，齿轮A和B都将再次一起位于它们的零位置处。示例性计算如下：
齿轮A零循环＝2，
φ B = 2 × 11 13
φB＝1.6923→φB＝0.6923
通常：
φ B = Zeros A × R A R B
计算用于齿轮C的表类似于用于齿轮B的表；然而，在该序列循环之前，现在将计算17个总位置。零循环也必须包括齿轮B。通式为：
φ C = Zeros AB × R A × R B R C
齿轮D遵循该逻辑顺序，并且现在具有18个唯一位置，并且零循环包括C。用于齿轮D的等式：
φ D = Zeros ABC × R A × R B × R C R D
将会理解，可以以任何序列分析可旋转部件(如，没有必要从齿轮104A开始)。可以以任何顺序进行该分析，只要已经针对合适的序列计算出查找表。
当单独的齿轮位置的测量值的测量误差变得太大时，该算法会返回不正确的值。在此之前，该装置中的误差将是第一测量齿轮的测量误差乘以初级比。
检测装置在该算法出现故障之前的最大可允许峰值误差可以被计算为：
Figure BDA00002851680100144
因此，对于在该示例中采用的齿轮比，不需要高精确传感器。传感器的精度可以相对低，因为它们仅需要满足180°/(RA+RN)最大误差要求。位置的分辨率随后仅取决于所选择的第一齿轮。这可以允许使用‘n-1’个低精度传感器和一个非常高精度的传感器来提供具有非常高精度的高匝数、多匝位置-提供装置。
当不再有把握知晓具有最大比的可旋转部件且因此每个零序计算位置之间的最小旋转距离时，可以发现该装置的最大误差预算。这将在该部件上的总误差大于两个先前部件的零序位置之间的除以2的距离时出现，因为此时所计算的“回绕”位置将更接近错误的查找表位置。
作为这种问题的形象化，每个可旋转部件(除了初级部件)可以在概念上分成多段。这些段中的每一个表示可以将“回绕”位置视为与如在查找表列出的先前部件零序的对应数量相关联所针对的位置范围。在图8A中示出具有21段的示例性可旋转部件，合适的段由对应的旋转贡献指数标记。可旋转部件被示出为位于其参考位置，在0段的精确中心中。理论上，应当总是在位置中测量部件，从而使用回绕的先前部件计算的“计算位置”阶段将返回在所述段中的一个的精确中心中的值，即，对应于来自查找表的位置。然而，当误差引起该计算位置漂移进入相邻段中时，输出误差将存在明显的增加，因为先前部件零位置序列将潜在地明显地变化。在图8B中图示了这种角误差。
考虑两种主要误差形式，测量误差和机械误差(反冲)，通过考虑从最高比部件的分析返回的零序的值不正确时的时刻，可以发现最大可允许误差。反冲将对与初级部件相关的位置具有直接的影响；然而，测量误差以两种方式影响结果。第一种方式是通过简单地破坏在该部件上测量的值，第二种方式是通过破坏初级部件的值，初级部件随后在第一计算阶段，即在初级部件“回绕”时，被转化成被分析部件。如果这不正确，则在计算被分析部件的最后已知的先前部件零序位置时，在来自真实值的计算之间存在其它差异。
以数学条件，可以如下表示可允许误差：
Figure BDA00002851680100151
其中EN为所分析的部件的测量误差，N，EA为初级部件的测量误差，BAN为初级部件和N之间的偏移。
E N + E A × R A R N + B AN 可以被认为是该装置中的总误差，其中
Figure BDA00002851680100153
作为误差极限。如果该总误差不大于所有部件的误差极限，则解码将不工作。
可以在该装置中引入误差的另一种方式是测量每个可旋转部件之间的时延。如下，这将另一个条件引入该式：
Figure BDA00002851680100162
其中TdN为测量n的时延，TdA为测量初级部件的时延，vN为N的旋转速度，vA为测量N的时延。通过采用对称读取算法可以消除这种类型的误差，其中将每个部件的测量值及时设置在单个点周围。这消除了在每个测量值有效地按时位于同一点时(假设恒定运动)引起解密算法失败的影响。然而，这种方法仍容易受到来自加速度的影响，但影响它所需要的加速度将极其大，因为在实际中，所述时延非常小。
在该装置的一些实施方案中，存在所有的可旋转部件可能都不能同时定位在参考位置处的可能性。这例如会在不存在确保将部件组装在正确的相对位置的固定方式时发生。存在试图确保这不会发生的多种方式，如采用具有等于回转的最小应变量的齿轮(如，在具有比10、21和17的三个可旋转部件示例中)，如果这些齿轮是具有10、21和17个齿的齿轮，以及采用用于驱动配置的恰当对准的传感器。这种配置将确保部件总是放置在整个段间隔中，从而如果存在20、42和34个齿，则将能够通过半段放置齿轮出来。这种问题的一种可能的解决方案是具有意图防止不正确的组装工艺，例如，固定机械结构可以用作将不允许不合适的组装的引导件，或可以使用诸如上述105或107的多个引导件/构成。可替换的解决方案是，在第一次给该装置加电时，进行测量，并且可以根据该位置采用“回绕”计算阶段和可旋转部件的已知的组装位置计算可旋转部件的配置。
为了处理一个或多个传感器出现故障的风险，可以设置与可旋转部件中的一个或多个相关的一个或多个冗余传感器，以便在特定传感器出现故障时，可以代替使用冗余传感器。这例如可以采用RF和磁性传感器实现，因为磁场和RF场渗透大的面积。冗余传感器可以定位在可旋转部件的旋转轴线的相对侧，或者可以定位在如初级传感器和该部件之间的任何位置处，或者在初级传感器之后。在这种技术对于特定实施例不可行时，则替换方案是丢弃故障传感器的读数并使该装置在减小的绝对范围内操作。采用在图1和2的传感器104B上检测的故障的示例，该装置将基于剩余三个可旋转部件104A、104C和104D采用所述读数。这将意味着它的范围将减小；然而，这可以足以用于一些应用。在该模式中，可能需要基于剩余的可旋转部件之间的关系产生/使用新的查找表。
在这种范围减小的模式中，可能需要在通常可能的循环多的循环范围内扩展该装置的范围。为了这样做，递增计数器(如，在图2中在114C处示意性地示出)可以用来跟踪该系统已经通过其全部范围的次数。在该故障模式中，如果装置在断电的情况下已经移动相当大的量(如，大于减小的范围的一半)时，该设备会失去它的在电力恢复时有把握提供精确的位置读数的能力。
在图9中示出处于这种范围减小模式中的装置的操作的示例。在该模式中，如果递增计数丢失，则不能由该装置绝对地限定位置。在步骤902处，获得可旋转部件中的仍在使用中的一个的绝对测量值。在步骤904处，通过将如由递增计数器记录的所述部件的转动次数添加到绝对测量值，计算该部件的真实位置。在步骤906处，进行检查以查看当前测量的值和在先前迭代处测量的值之间的差异是否大于该装置的除以2的范围。如果不是这样，则控制返回步骤902；否则在步骤908处，计数器递增，并且随后控制再次转到步骤902。
当所有的齿轮同时但以不同的速率转动时，通过查看齿轮的任何组合可以确定绝对位置的减小的范围。这提供内置冗余和/或检查读数误差的能力。如上所述使用递增计数器的能力可以在任何时刻仅测量一个部件的位置时提供增加的测量速度。
常规机械分度系统的缺点是，如果在一个部件中存在故障并且它不像它应当进行的那样更新，则这是几乎不可能检测到的。采用连续移动配置的情况下，如在本设备的实施例中的情况一样，相对简单地检测故障。当所有的运动比率已知时，能够在数个样品的进程中检测该装置的一部分中的故障。在每个可旋转部件的两次采样之后，能够告知每个部件已经移动多远，假设这些样品不是在数次迭代之后获得的。据此，在所有的运动比率都被限定时，能够推导每个部件应当移动多远。
齿轮的多个子集可以用于在减小的范围的自查。在这种配置中，后续检测到的部件/齿轮可以用来验证精度，并检查在所选择的被检测部件中的读数误差。进一步，在这种配置中，该装置可以记录的转动次数不受限制。由于在任何一个时刻处仅读取一个齿轮，使用具有递增计数器的单个被检测元件的能力提供了增加测量速度的优点。该装置也可以被配置为提供采用全部可旋转部件进行测量的选项，以确认输入部件的位置。
该装置可以被配置为自动切换到上述“冗余模式”中的一种，或者可以允许用户设置该模式。
通过增加所选择的第一部件(如，在该示例中为104A，虽然所选择的检测元件不必是齿轮系中的第一齿轮)的分辨率，可以增加装置100的分辨率。这可以使得能够操作到传感器的输入比，以获得进行测量所需要的最终转动次数和所希望的必要精度之间的所需要的平衡。通过改变初级比，可以增加该装置的范围，以降低分辨率的成本产生装置组件。
该装置可以继续计算其绝对范围之外的位置；它将在点处卷绕，但在一些应用中这是可以容忍的。

Claims (24)

1.一种适于通过多次转动提供输入部件(106)的角位置的指示的设备(100)，该设备包括：
至少两个可旋转部件(104A-104D)，所述至少两个可旋转部件被配置为在使用中根据输入部件(106)旋转而旋转；
至少一个检测装置(114A)，所述至少一个检测装置被配置为测量和输出所述可旋转部件中的至少一个的角位置，和
装置(114)，所述装置(114)被配置为使用来自所述至少一个检测装置的角位置测量值通过多次转动产生所述输入部件的角位置的指示，
其中所述可旋转部件被配置为同时但以不同的速率旋转。
2.根据权利要求1所述的设备，其中每个可旋转部件(104A-104D)具有关于其它可旋转部件的任何唯一的转数比。
3.根据权利要求1所述的设备，其中每个可旋转部件(104A-104D)具有关于其它可旋转部件的转数比，所述可旋转部件被设置为使得在转数比之中不存在公因数(除了1)。
4.根据权利要求2或3所述的设备，其中所述可旋转部件(104A-104D)包括多个齿轮，每个齿轮具有不同的/唯一的齿数。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，在使用中，所述可旋转部件(104A-104D)以连续的、非步进方式沿着所述输入部件(106)移动。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述至少一个检测装置(114A)提供所述可旋转部件(104A-104D)中的一个的在360°的范围内绝对位置测量值。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述至少一个检测装置(114A)采用光学、磁性或RF检测技术。
8.根据权利要求6所述的设备，其中该设备包括A到N个所述可旋转部件(104A-104D)，每个可旋转部件具有对应的转数比RA至RN，并且其中所述检测装置(114A)具有一精度，使得所述检测装置的最大可允许峰值误差满足下式：
Figure FDA00002851680000021
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述多个可旋转部件(104A)中的一个直接地或间接地驱动所有剩余的所述可旋转部件(104B-104D)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述多个可旋转部件(104A-104D)中的每一个具有名义上零位置，并且产生所述输入部件的角位置的指示的装置(114)被配置为通过计算所述可旋转部件已经从它们的零位置开始通过多远而产生位置指示。
11.根据权利要求10所述的设备，其中由产生所述输入部件的角位置的指示的装置(114)执行的计算包括使所述可旋转部件(104)虚拟地回绕至它们各自的零位置。
12.根据权利要求11所述的设备，其中产生所述输入部件的角位置的指示的装置(114)被配置为：
使一序列的可旋转部件(104A)中第一可旋转部件虚拟地回绕(402)至其零位置；随后
针对除了该序列中的第一个可旋转部件之外的每个所述可旋转部件(104B-104D)：
基于该序列中的先前的旋转部件(104A)在虚拟地回绕时已经转动的角度计算(406)所述可旋转部件(104B-104D)的虚拟地位置，以及
虚拟地回绕(408)该序列中的所述可旋转部件(104B-104D)和所有所述先前的旋转部件(104A)，使得它们位于它们的零位置处。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述计算(406)采用在该序列中的所述先前的可旋转部件(104A)位于它们的零位置处时表示所述可旋转部件(104B-104D)的位置的存储数据，如查找表，以及在所述可旋转部件处于对应的所述位置时表示该序列中的所有先前的可旋转部件已经总共多少次通过它们的零位置的数据。
14.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述可旋转部件(104A-104D)是以共面方式设置的。
15.根据权利要求1-13中任一项所述的设备，其中，所述可旋转部件(104A-104D)是以同轴方式设置的。
16.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述设备未被提供恒定功率。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述至少一个检测装置(114A)测量所述可旋转部件(104)的、由电力未被提供至该设备时发生的运动导致的位置。
18.根据权利要求16或17所述的设备，包括用于使得能够在所述可旋转部件(104)移动时激活所述至少一个检测装置(114A)的开关结构(113)。
19.根据权利要求1所述的设备，其中设置包括多于一个所述检测装置(114A)的组件，用于测量单个所述可旋转部件(104)的位置，使得在该组件中的一个检测装置出现故障时，则使用该组件中的另一个检测装置代替。
20.一种通过多次转动提供输入部件(106)的角位置的指示的方法，该方法包括下述步骤：
测量至少两个可旋转部件(104A-104D)的角位置，所述至少两个可旋转部件被配置为在使用中根据输入部件(106)旋转而旋转，所述可旋转部件被配置为同时但以不同的速率旋转，以及
采用角位置测量值通过多次转动产生所述输入部件的角位置的指示。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括下述步骤：
在一时间周期内获取多个可旋转部件(104A)中的第一个可旋转部件的位置测量值；
在该时间周期获取多个可旋转部件(104B)中的另一个可旋转部件的位置测量值；
给定第一个可旋转部件的测量位置和所述多个可旋转部件的旋转之间的已知的关系，将所述另一个可旋转部件的测量位置与所述另一个可旋转部件的预期位置进行比较，以及
在所述另一个可旋转部件的测量位置不与所述预期位置对应时，标记可能读数误差状态。
22.根据权利要求20或21所述的方法，还包括通过检测所述可旋转部件(104)中的至少一个的角旋转的缺失检查读数误差的步骤。
23.根据权利要求20所述的方法，还包括下述步骤：
提供与所述可旋转部件(104)中的至少一个相关联的至少一个递增计数器(114C)，以及
采用来自所述至少一个递增计数器的输出，基于至少一个相关联的可旋转部件的多次转动的计数，计算所述输入部件的位置。
24.根据权利要求20-23中任一项所述的方法，其中在检测到所述可旋转部件(104B)中的一个(或多个)出现故障时，该方法包括：
测量无故障的所述可旋转部件(104A，104C，104D)的角位置，以及
采用无故障的可旋转部件的角位置测量值通过减小的多次转动范围产生所述输入部件(106)的角位置的指示。
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