CN104641200A - 伪绝对位置感测算法 - Google Patents

Abstract

一种具有用于确定机电致动器(EMA)行程的位置的位置感测算法的系统包括被支撑以围绕第一轴旋转的第一旋转组件和被支撑以围绕第二轴旋转的第二旋转组件。第一旋转编码器可被配置为基于第一旋转组件的角位置产生输出；并且第二旋转编码器可被配置为基于第二旋转组件的角位置产生输出。第一和第二旋转组件可定义这样的比：该比使得第一和第二旋转编码器针对EMA的整个行程产生唯一的输出组合。解码器可被设置为具有位置感测算法，此算法基于第一与第二旋转组件之间的比、以及第一和第二编码器的输出确定EMA行程的位置。

Description

伪绝对位置感测算法

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年9月21日提交的序列号为61/704,057的美国临时申请的权益，该申请的全部内容通过引用的方式在此纳入。

技术领域

本发明涉及位置感测算法，其包括使用旋转位置传感器计算机械系统的位置输出的位置感测算法。

背景技术

已知使用旋转可变差动变压器(RVDT)测量轴的角位移。一般而言，RVDT是电力变压器，其包括在所容纳的定子组件内被支撑以进行旋转的转子。RVDT提供与轴的角位移呈线性比例的输出电压。但是，当被用于确定机电致动器(EMA)的绝对位置时，RVDT系统通常使用与EMA的输出轴相关的消隙齿轮传动系确定绝对位置。RVDT系统可能还需要用于激励和位置解码的驱动电子装置。进一步地，RVDT系统可能相对复杂、沉重且昂贵。

发明内容

系统实施例具有位置感测算法，此算法采用旋转位置传感器确定机电致动器(EMA)行程(stroke)的位置。所述系统可包括被支撑以围绕第一轴旋转的第一旋转组件和被支撑以围绕第二轴旋转的第二旋转组件。第一旋转编码器可被配置为基于所述第一旋转组件的角位置产生输出；并且第二旋转编码器可被配置为基于所述第二旋转组件的角位置产生输出。所述第一和第二旋转组件可定义这样的比：该比使得所述第一和第二旋转编码器针对所述EMA的整个行程产生唯一的输出组合。解码器可被设置为包括位置感测算法，此算法基于第一与第二旋转组件之间的比、以及所述第一和第二编码器的输出确定EMA行程的位置。

当结合附图阅读下面对实施例的详细描述时，本发明的各个方面对于本领域的技术人员来说将变得显而易见。

附图说明

现在参考附图，借助实例描述本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明的实施例的具有齿轮传动系的机电致动器(EMA)的示意图。

具体实施方式

根据教导的一个方面的伪绝对位置感测算法使用两个旋转位置传感器，利用两个或更多个旋转轴之间的机械比计算机械系统的位置输出。在一个实例中，此算法使用齿轮比(gear ratio)关系计算机电系统的最终输出级的位置，该机电系统可以是任何使用齿轮传动系以将旋转输入转换为机械输出(例如，线性输出、旋转输出等)的系统。一旦系统已被校准，并且只要各传感器的机械关系保持恒定，此算法便可计算当前位置。

图1示出一个可能的机电致动器(EMA)系统，一般地由10指示。EMA系统10可具有齿轮传动系，该齿轮传动系至少具有第一齿轮、感测第一齿轮的角位置的第一绝对旋转编码器、第二齿轮、以及感测第二齿轮的角位置的第二绝对旋转编码器。图中示出的EMA齿轮传动系10仅用于示例说明的目的，本领域的普通技术人员将理解，在不偏离本教导的范围的情况下，此处描述的感测算法可用于任何具有齿轮传动系、并且更广泛地具有齿轮比的系统。

第一和第二编码器可被设置在EMA系统10中的任意位置处。在一个实例中，第一编码器可被安装在EMA系统10的电动机小齿轮上，第二编码器可被安装在EMA系统10的输出级的附近。第一和第二编码器的输入分别依赖于第一和第二齿轮的相对于第一和第二齿轮的旋转轴的角位置。第一和第二编码器产生与第一和第二齿轮的位置对应的第一和第二输出，并且将这些输出发送到解码器。需要指出在实际中，第一和第二齿轮几乎不具有零分度(zero index)或正时标记(timing mark)，并且非常不可能的是，编码器彼此完全对齐或者与齿轮传动系完全对齐，因此可能存在一些初始误差。这样，作为校准步骤，此算法会产生偏移值以使在初始的开始位置处的编码器的位置为零，并且将该偏移值存储在EMA系统10中。之后，只要编码器不更改相对于第一和第二齿轮的位置，此算法就可确定EMA输出的绝对值。

为了确定EMA齿轮系统10中的行程(stroke)的绝对角位置，来自旋转编码器的第一和第二输出创建EMA系统10的整个行程的唯一组合。基于两个编码器的角位置之间的数学关系、以及第一与第二齿轮之间的齿轮比，解码器产生表示EMA系统10的行程位置的输出。来自旋转编码器的唯一组合确保解码器不会产生错误的位置输出。

产生唯一的编码器输出组合依赖于第一与第二齿轮的机械特征。如本领域中公知的那样，对于给定的齿轮比，较小的齿轮将针对较大齿轮的每次完全旋转而逐量更改其角位置。在教导的一个方面，产生角位置和输出的唯一组合涉及确保第一和第二齿轮包括具有互质采样(relatively primedecimation)的非整数齿轮比。更具体地说，在齿轮比方面应该具有足够的采样(decimation)，以便在EMA系统10的行程期间的任何时间，针对给定齿轮比，在不重复角位置组合的情况下，维持全部所需的齿轮旋转。齿轮比可以是被表示为m/n的有理数，其中m和m均为互质数。例如，对于齿轮比157:1，在重复角位置组合之前，齿轮轴旋转157次。如果需要少于157次的全部齿轮轴旋转来完成整个EMA行程，这也是可接受的。但是，如果EMA系统10的行程中需要更多次的齿轮轴旋转，则将齿轮比进行更改以适应于此。例如，齿轮比157.2:1在786次旋转之后重复(因为1572可被2整除)。但是，齿轮比157.1:1在角位置组合重复之前需要1571次齿轮轴旋转。

现在借助两个理论描述此算法：角理论和数字理论。在角理论中，此算法在整个EMA行程期间保持以下关系：

θ_1＝mod(x_1，1)360

θ_2＝mod(x_2，1)360

$\mathrm{\θ}\_3=\mathrm{mod}(\frac{x\_1}{\mathrm{Gear}\_\mathrm{Ratio}},1)360$

$\mathrm{\θ}\_4=\mathrm{mod}(\frac{x\_2}{\mathrm{Gear}\_\mathrm{Ratio}},1)360$

其中x是齿轮传动系旋转次数。

θ_1≠θ_4

θ_3≠θ_4

适用于任何x_1和x_2。

从上面的方程式可看出，函数是连续的，并且假如满足上述关系，则可针对给定齿轮传动系创建唯一组合。在EMA行程期间的任意点上，安装有第一和第二编码器的齿轮轴产生相对于轴的唯一角位置组合。

当此算法在数字系统中使用时，第一和第二编码器的分辨率受到编码器输出的位分辨率限制(即，输出的模拟到数字的转换)。因此，在数字领域中实现此算法需要考虑位分辨率和产生唯一的角位置组合的精确度。当转换到二进制领域时，上述相对于角理论的关系可描述如下：

y₁＝mod(x₁n₁，n₁)

y₂＝mod(x₂n₁，n₁)

$y_3=\mathrm{mod}(\frac{x_{1}n2}{\mathrm{Gear}\_\mathrm{Ratio}},n2)$

$y_4=\mathrm{mod}(\frac{x_{2}n2}{\mathrm{Gear}\_\mathrm{Ratio}},n2)$

其中x_n是传感器1的旋转次数，并且n1和n2是各个传感器的计数n＝2^bits。

y₁≠y₂

y₃≠y₄

适用于任何x₁和x₂。

在该实例中，在整个EMA行程期间的任意点上，第一和第二编码器产生对应于唯一角位置的唯一二进制值。然后，第一和第二编码器的分辨率被限制为编码器输出的每个计数的角度(360度/n)。

需要指出，来自第一和第二编码器的位置信息可包括大量数据，这样很难在具有有限存储空间的数字存储器中进行存储。为了克服此问题，此算法使用齿轮比和较小齿轮的角位置针对较大齿轮的每次完全旋转的逐量变化，将第一和第二编码器的输出转换为线性关系。基于此逐量位置变化，具有最少轴旋转次数的编码器的输入被加到基于当前轴的角位置的原始编码器位置的换算(scaled)被乘数上。这样，第一和第二编码器的输出可做以下线性转换：

n1＝2^b1                        传感器1的计数总数

n2＝2^b2                        传感器2的计数总数

$\mathrm{gr}=\left(\frac{m\_g{r}_2}{n\_g{r}_2}\right)\left(\frac{m\_g{r}_3}{n\_g{r}_3}\right)\left(\frac{m\_g{r}_n}{n\_g{r}_n}\right)$   总齿轮比

r2＝25                        EMA设计指定的传感器2的旋转次数

r1＝r2gr                      传感器1的旋转次数

k                             不确定因子

y1(x)＝floor(mod(|x|n1，n1))  传感器1输出

$y2\left(x\right)=\mathrm{floor}\left(\mathrm{mod}(\frac{\left|x\right|}{\mathrm{gr}}n2,n2)\right)$   传感器2输出

其中

b1＝第一编码器的位数

b2＝第二编码器的位数

m_gr_n＝齿轮比的分子

n_gr_n＝齿轮比的分母

r1＝完成整个EMA行程所需的第一编码器中的旋转次数

r2＝完成整个EMA行程所需的第二编码器中的旋转次数

k＝不确定因子

floor＝向下取整到最近的整数

mod＝计算模，其中mod(x,y)计算x除以y的余数(x模y)

此方法还包括以下有效性检查以确保关系有效：

n1＞k·r2

n2＞k·r1

$1>n1-y1\left(\mathrm{gr}\right)\frac{n1}{r2}$

第二编码器的输出可被换算为与第一编码器的输出匹配，如下所示：

$y1\_\mathrm{prime}\left(x\right)=\mathrm{mod}(\mathrm{floor}\left(y2\left(x\right)\mathrm{gr}\frac{n1}{n2}\right),n1)$

上述关系确定第二编码器的换算输出与第一编码器的输出之间的差别。此关系被制定为使范围小于n1-1计数以适应系统中有限的数据存储。

为了使第一与第二编码器输出之间的差异符合以nraw为基础的阶式(stepwise)函数，可应用以下关系：

此关系将nraw2的范围限制为位于-2(允许低于零的偏差的任意数)到127内。

齿轮旋转期间的计数差异可被描述为：

w(x)＝n1-mod(x n1，n1)

以齿轮比为基础的阶式函数(具有公差w(g)/2)可被描述为：

$m\left(x\right)=\mathrm{floor}\left(\frac{\mathrm{nraw}2\left(x\right)-\frac{w\left(\mathrm{gr}\right)}{2}}{w\left(\mathrm{gr}\right)}\right)$

以第一和第二编码器的位置输出为基础的线性函数y可被描述为：

y(x)＝y2(x)+m(x)n

上述算法还可包括其它齿轮传动系限制：

$1<n1-y1\left(\mathrm{gr}\right)<\frac{n1}{r2}$

其中y1(gr)是当齿轮比的数值次的旋转出现时的编码器输出。此约束确保对于例如第一编码器的每次旋转，第二编码器的输出更改至少一个计数，但是小于第二编码器的每次换算旋转的第一编码器计数数量。

因此，上述系统经由替代高成本装置(例如，旋转或线性可变差动变压器)的低成本旋转编码器传感器提供精确的位置感测。编码器减少了系统设置次数和支持，因为它们可以进行电子校准代替人工校准，它们还使用比现有系统简单得多的电子配置。该系统还可实现任何机械约束输入(例如电动机)的位置感测。在传感器算法中使用齿轮传动系特性具有以下附加优点：能够检测齿轮传动系本身中的问题(例如，空转或齿隙)。

尽管上述实例着重于具有齿轮传动系的致动器系统，但是此算法可在包含以下机械优点的任何系统中使用：使用两个或更多个旋转轴来基于机械比的关系确定输出级(不一定是系统的最终输出)的轴旋转总数。换言之，此算法可在将旋转输出转换为机械输出的任何系统中使用。一旦系统被校准，只要轴的机械关系、进而编码器的机械关系被保持恒定，就可感测最终输出的绝对位置。

将理解，上述教导本质上仅作为实例，并非旨在限制本教导及其应用和使用。尽管在说明书中描述，并且在附图中示出特定实例，但是本领域的普通技术人员将理解，在不偏离权利要求中定义的本教导范围的情况下，可做出各种修改，并且可使用等同物替换其要素。而且，各个实例之间特征、要素和/或功能的混合和匹配在此做出明确地构想，以便本领域的普通技术人员根据本公开可以理解，一个实例的特征、要素和/或功能可被适当地并入另一实例中，除非上面另有所指。此外，在不偏离本发明实质范围的情况下，可做出多种修改以使特定的情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明教导并非旨在限于在附图中示出、以及在说明书中描述的作为目前为了执行本发明的教导而构想的最佳模式的特定实例，而是，本发明的范围将包括落在以上描述和所附权利要求书内的任何实施例。

Claims (20)

1.一种具有输出级和旋转组件的系统，包括：

第一旋转组件和第二旋转组件；

第一旋转编码器，其被配置为基于所述第一旋转组件的角位置产生第一输出；

第二旋转编码器，其被配置为基于所述第二旋转组件的角位置产生第二输出；以及

解码器，其包括位置感测算法，此算法被配置为使用所述第一和第二输出确定最终输出级的位置，

其中所述第一与所述第二旋转组件之间的比是具有互质采样的非整数比，所述第二旋转组件的角位置针对所述第一旋转组件的每次完全旋转而逐量更改，并且所述第一和第二输出的组合在所述输出级的所述旋转组件的选定旋转次数期间是唯一的。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述比满足方程式：

$1>n1-y1\left(\mathrm{gr}\right)\frac{n1}{r2}$

其中y1(gr)是当所述比的数值次的旋转出现时的传感器输出，n1是所述第一编码器的位数，r2是所述第二编码器的位数。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述比是m/n，并且m和n互质。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述第一和第二旋转组件包括齿轮，所述第一旋转组件的齿数大于这些组件在整个机械行程的旋转次数。

5.根据权利要求1所述的系统，其中在机电致动器中，所述第一旋转组件包括电动机小齿轮，所述第二旋转组件包括输出齿轮。

6.根据权利要求1所述的系统，其中在机电致动器中，所述第一旋转组件被设置在第三齿轮路径中，所述第二旋转组件被设置在第四齿轮路径中。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述第三齿轮路径具有66/19的齿轮比，所述第四齿轮路径具有60/19的齿轮比。

8.根据权利要求1所述的系统，其中在机电致动器中，所述第一旋转组件被设置在第二齿轮路径中，所述第二旋转组件被设置在第四齿轮路径中。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述第二齿轮路径具有63/15的齿轮比，所述第四齿轮路径具有60/19的齿轮比。

10.一种用于确定机电致动器(EMA)行程的位置的系统，所述系统包括：

被支撑以围绕第一轴旋转的第一旋转组件，和被支撑以围绕第二轴旋转的第二旋转组件；

第一旋转编码器，其被配置为基于所述第一旋转组件的角位置产生输出；以及第二旋转编码器，其被配置为基于所述第二旋转组件的角位置产生输出，其中所述第一和第二旋转组件定义这样的比：该比使得所述第一和第二旋转编码器针对所述EMA的整个行程产生唯一的输出组合；以及

解码器，其具有位置感测算法，此算法被配置为基于所述第一与第二旋转组件之间的比、以及所述第一和第二编码器的输出确定所述EMA行程的位置。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述第一和所述第二旋转组件之间的比是具有互质采样的非整数比。

12.根据权利要求10所述的系统，其中所述第二旋转组件的角位置针对所述第一旋转组件的每次完全全旋转而逐量更改。

13.根据权利要求10所述的系统，其中所述比满足方程式：

$1>n1-y1\left(\mathrm{gr}\right)\frac{n1}{r2}$

其中y1(gr)是当所述比的数值的旋转出现时的传感器输出，n1是所述第一编码器的位数，r2是所述第二编码器的位数。

14.根据权利要求13所述的系统，其中所述比是m/n，并且m和n互质。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述第一和第二旋转组件为齿轮，所述第一旋转组件的齿数大于这些组件在所述EMA的整个机械行程的旋转次数。

16.根据权利要求10所述的系统，其中所述第一旋转组件是电动机小齿轮，所述第二旋转组件是所述EMA的输出齿轮。

17.根据权利要求10所述的系统，其中所述第一旋转组件被设置在所述EMA的第三齿轮路径中，所述第二旋转组件被设置在所述EMA的第四齿轮路径中。

18.根据权利要求17所述的系统，其中所述第三齿轮路径具有66/19的齿轮比，所述第四齿轮路径具有60/19的齿轮比。

19.根据权利要求10所述的系统，其中所述第一旋转组件被设置在所述EMA的第二齿轮路径中，所述第二旋转组件被设置在所述EMA的第四齿轮路径中。

20.根据权利要求19所述的系统，其中所述第二齿轮路径具有63/15的齿轮比，所述第四齿轮路径具有60/19的齿轮比。