CN105705951A - 用于减少转子速度测量中误差的方法 - Google Patents

Abstract

减少转子速度测量中误差的方法包括同步地测量具有目标的转子，该目标包括至少一个几何瑕疵。经过转子各齿的时间间隔储存在圆形缓冲存储器阵列中。速度始终通过获取完整回转的时间来确定，以便旋转目标的几何瑕疵和不对称不影响速度确定，速度确定始终代表最新的完整回转内的平均速度。

Description

用于减少转子速度测量中误差的方法

相关申请的交叉引用

本PCT实用申请请求享有具有美国专利申请序列号No.61/902,474的题为“MethodforReducingErrorinRotorSpeedMeasurements”且具有申请日2013年11月11日的提交日期的当前未决的临时申请的优先权和权益，该申请全部通过引用而并入本文中。

技术领域

本实施例大体上涉及用于确定转子速度的测量系统。更具体而言，但不作为限制，本实施例涉及减少转子速度测量中误差的方法。

背景技术

转子速度可用于进行许多类型的旋转结构的操作特征的各种确定。例如，制动器组件、发动机、涡轮、螺旋桨轴、风扇、传送器或任何其他旋转结构。用语“转子”应当理解为宽泛地限定的旋转机械结构。转子速度通常以每分钟转数(RPM)、每秒弧度或赫兹来表示。

大体上，使用两种确定转子速度或RPM的方法。频率测量系统用于快速旋转装置，诸如马达和涡轮，它们通常每分钟几千转地旋转。备选地，周期测量系统更常用于具有以较低速度旋转的轴的结构。

传感器一般用于确定转子速度，且可由轴编码器、旋转脉冲发生器、临近传感器或光电传感器实施。与传感器结合，转子可包括具有在转子旋转期间测量的一个或更多个特征的目标。这些目标可具有非预期的几何瑕疵(geometricimperfection)或预期的几何形状不一致，它们对应于转子的位置或状态，诸如转子的上死点。例如，一些目标可具有肋条、齿或其他凸起，它们具有与目标的其他特征不同的尺寸、形状或间隔。因此，这些几何瑕疵将误差引入测量过程中，这可基于测量过程而导致此种误差传播通过随后的计算。

因此，将期望的是开发方法以便提供更准确的测量系统，以便减少与测量转子速度的已知方法相关的误差。

在说明书的本背景技术部分中包括的信息，包括本文中引用的任何参考及其任何描述或论述，仅是用于技术参考目的而包括的，且不应看作是用来界定本实施例的范围的主题。

发明内容

减少转子速度测量中误差的方法的本实施例包括同步地测量具有目标的转子，该目标可包括一个或更多个几何瑕疵。传感器用于形成周期波形，且由测量系统使用，测量系统将形成预选数目周期的阵列(array)。当达到预选数目的时间时，加入新的时间，且从阵列除去老的时间。平均速度是基于周期阵列的子集来确定的。平均值可针对整个列标或该列表的一些部分，或与多次完整回转对应的一些倍数。

根据一些实施例，测量转子速度的方法包括：将传感器定位成与目标相对，该目标包括多个特征，测量与经过传感器的目标上的多个特征中的各个之间的时间对应的周期，形成周期的阵列，该阵列包括直到预选数目的周期，当加入新的周期且达到预选数目的周期时，从阵列除去老的周期，且从阵列中的周期的子集来计算平均周期，该平均周期与一次完整回转或多次完整回转中的一者对应，和从平均周期计算转子的转速。

根据一些实施例，测量转子速度的方法包括：将传感器定位成与目标相对，该目标包括多个特征，其中，特征包括至少一个几何瑕疵，测量与经过传感器的目标上的多个特征中的各个之间的时间对应的周期，形成周期的阵列，阵列包括直到预选数目的周期，当加入新的周期且达到预选数目的周期时从阵列除去老的周期，从阵列中的周期的子集计算平均周期，该平均周期与一次完整回转或多次完整回转中的一者对应，和从平均周期计算转子的转速，以补偿该至少一个几何瑕疵。

所有以上提出的特征应理解为仅为示范性的，且可从本文中的公开收集本发明的许多另外的特征和目的。提供该发明内容以用简化的形式引入构思的选集，它们下面在具体实施方式中进一步描述。该发明内容不旨在识别要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不意图用于限制要求保护的主题的范围。本发明的特征、细节、用途、和优点的更宽泛的表示在本发明的各种实施例的以下书面描述中提供，在附图中例示，且在所附权利要求中限定。因此，在不进一步阅读整个说明书、权利要求和与其一同包括的附图的情况下，不会理解该概述的非限制性解释。

附图说明

通过参照结合附图作出的实施例的以下描述，本公开内容的上述和其他特征和优点，以及获得它们的方式将变得更清楚，且减少误差的方法将更好理解，在附图中：

图1为示范测量系统的侧视图；

图2为具有至少一个几何瑕疵的示范目标的侧视图；

图3为绘制在时间线上的图2的实施例的测得瑕疵的波形图；

图4为具有几何瑕疵的备选目标；

图5为绘制在时间线上的图4的实施例的测得瑕疵的波形图；

图6为具有几何瑕疵的备选目标实施例；

图7为绘制在时间线上的图6的实施例的测得瑕疵的波形图；

图8为消除转子同步误差的方法的模拟波形、数字转换和数学表达的视觉关系；

图9为绘出以同步方式减少速度误差的方法的流程图；且

图10为以同步方式减少或消除速度误差的方法的示意流程图。

具体实施方式

现在将详细地参照所提供的实施例，其一个或更多个实例在附图中例示出。各实例是作为公开实施例的解释，而非限制而提供的。实际上，本领域的技术人员将清楚的是，可在实施例中作出各种改型和变型，而不脱离本公开的范围或精神。例如，例示为或描述为一个实施例的一部分的特征可与另一实施例一起使用，以还形成其他实施例。因此，期望本发明覆盖在所附权利要求和它们的等同物的范围内的此类改型和变型。

参看图1-10，提供了减少转子的速度测量误差的各种方法。本实施例使用为转子同步的方法，以减少误差且改善速度测量的准确性。转子同步的意思是速度测量与目标的旋转直接相关。根据一些实例，该方法可用于发动机、涡轮、轮或制动器组件、传送器或可受益于本实施例的其他旋转机构中。

首先参看图1，绘出了示范测量系统10的视图。系统包括目标12，目标12具有围绕其定位的多个特征14。目标12为大体上圆形的，特征14从其延伸。特征14可为齿、凸起、肋条、突出物或可检测到的其他结构。此外，与上述外部特征不同或在其之外，实施例可包括一个或更多个槽口或其他内部特征。此外，磁体可埋入转子中。速度传感器16与目标12相对且通过检测特征14中的各个来产生波形，该波形具有与转子18的速度成比例的频率，转子18可通过轴来实现，例如，目标12可安装在该轴上。目标12可与转子18一体地形成，或者备选地，可分开形成且以多种已知的方式连接，诸如键、键槽、调节螺钉、过盈配合或连接此种旋转结构的其他已知方法。此外，目标12还可与转子18物理地分开，同时仍以与转子18成比例的速度旋转。例如，目标12可通过一系列的齿轮而连接到转子18。例如，速度传感器16可为可变磁阻传感器、霍尔效应传感器、轴编码器、临近传感器、或光电传感器。对于使用磁性传感器的系统，特征14可为齿、凸起、肋条、突出物、切口、槽口、磁体、或可检测到的其他结构。此外，实施例可包括以上的一个或更多个组合，以及槽口或与外部特征相反的其他内部特征。对于使用光学传感器的系统，特征14例如可为交替的颜色、反射率的变化。然而，可利用其他传感器和目标，且该列表不认为是限制性的。最终，计算机17示为与传感器16电连通(由虚线示出)。如本文进一步描述的，计算机17可执行各种计算，且储存由传感器16提供的值。

现在参看图2，绘出了第二示范目标112的侧视图。目标112包括多个特征114，其中，目标112或至少一个特征114包括至少一个几何瑕疵，例如齿间隔。根据本实施例，特征114中的各个包括在特征之间的弧形间隔115。该正常间隔115表示角距离，且可等同于360度除以特征数“N”。然而，该结构还包括比正常间隔115大的至少一个不对称间隔117。此外，所示的实施例目标112还包括第二不对称间隔119，其小于间隔115的正常间隔弧形距离。间隔117和119不等于360度除以齿数N。然而，当对一次或更多次回转求和且除以考虑的特征数时，所有的间隔115,117和119将具有平均间隔115。

当目标112旋转时，间隔115,117,119都对应于时间周期112,126,124(图3)。测得的弧形间隔115是从第一特征114的中心到相邻特征114的中心测得的。备选地，测量可从特征的一个位置到相邻特征(例如，一个齿底部)上的等同位置，或者从特征之间的位置到相邻成对特征之间的等同位置进行。

现在参看图3，绘出且在时间线120上画出了与目标112的旋转相关的传感器波形循环的视觉表示。时间周期122对应于目标112的单个特征。该视觉表示为波形，该波形例如通过由传感器16形成的信号的模拟处理而形成。对应于与目标112的特征114相关的时间周期122沿时间线120标明多个周期122。例如，各时间周期可在特征114的中点之间测得。此外，标注了第二周期124，其对应于间隔119的测量结果，间隔119小于正常间隔115且小于正常周期122。标明第三周期126且其对应于比正常间隔115大的间隔117。随后，正常时间周期122绘制为沿时间线120完成图3的测得实例。因此，在间隔119小于间隔115的情况下，对应的时间周期124将小于正常时间周期测量结果122。相反，在间隔117大于正常间隔115的情况下，相关的时间周期126大于正常时间周期122。这些周期122,124,126也在图2中绘出，以用于表示目标112上的关系。

现在参看图4，绘出了目标212的另一备选实施例。实施例绘出了附加不对称特征类型，目标特征高度。本领域技术人员应当清楚的是，在本公开内容中论述的任何特征类型可单独地或与对称或不对称特征的这些或其他实施例组合地使用。目标212包括具有第一径向高度216的多个特征214，其通过第一虚线绘出。目标212还包括具有第二径向高度220的第二特征218。这些特征214,218绘出了另一几何瑕疵，其可用于确定特定转子位置或状态，诸如上死点。尽管较高的特征214被认为是正常的，但备选地，可能较短的特征可为正常尺寸的特征，且较高的特征为不对称特征。低特征218引起图5中绘出的速度波形中的减小幅度。

现在额外参看图5，与图4的目标212的旋转对应地绘制了波形。具体而言，时间线222示为具有通过目标212的一次回转形成的示范波形的测得的绘图表示。周期224绘出了正常径向高度216的特征214之间的时间的测得实例。然而，周期226和228绘出了第二径向高度220的特征214和218之间的时间的测得实例和对应的减小波形幅度。这些周期224,226,228也在图4中示出以易于参照。周期226和228可由于目标和传感器的交互作用而与周期224不同，类似于周期124和126如何与图3中的周期122不同。备选地，间隔224,226,228可在时间线222上相等，但测量结果可将它们解释为因减小的幅度223与测量系统中的瑕疵之间的相互作用导致的不等的间隔。

现在参看图6，另一个几何瑕疵示为在目标312上，包括真实中心315和实际(不对称)中心313，其中，目标312的实际中心313未直接定位在目标312的真实中心315中。目标312具有真实中心点315，其与实际中心313间隔开。实际中心313引起目标312的离心旋转，且此种速度波形在图7中绘出。在波形上且沿时间线320，波形幅度在特征314朝传感器移动时增大，且波形幅度在特征314移离传感器时减小。

总之，假定转子速度为与目标轮上的特征之间的周期成比例。然而，期望从测量结果移除的误差可由特征的目标几何形状或测量结果中的瑕疵而引入，例如，目标轮上的齿。此种瑕疵可包括间隔、同心度、特征的径向高度的变化或其他瑕疵。测量系统误差可由测量系统中的瑕疵与目标几何形状之间的交互作用引起。此种瑕疵包括但不限于非零检测阈值，其如果速度波形幅度由于不一致的径向高度和目标特征或不同心的目标而不恒定则引起周期测量误差。图2,4,5,6和7中所示的目标和/或测量系统瑕疵的任何组合可在转子和相关联的测量系统中组合。尽管瑕疵对于测量的各种实施例可能是需要的，但消除相关的测量误差将是合乎需要的。此外，应当理解的是，前述几何瑕疵可有意或无意地形成，且本文所述的方法提供用于补偿此种瑕疵的手段，以便计算准确的信息，诸如速度测量结果。

现在参看图8，绘出了一系列的信号和周期测量结果且其与减少转子速度测量结果的方法的数学表达有关。信号和周期测量结果在附图的垂直方向上对应于彼此。由波形500表示的模拟信号示出了与目标的单次回转对应的时间周期502，该目标例如前述目标中的一个，诸如具有几何瑕疵的目标212。模拟信号波形500包括具有第一波幅度的多个波或信号504，和具有第二波幅度的第一和最后的波或信号506，其表示瑕疵，诸如例如，具有较小径向高度的目标特征。

数字信号波形520在模拟信号波形500的下方。模拟波形或信号500被使用逻辑装置(未示出)转换成数字信号，该逻辑装置具有非零检测阈值。非零检测阈值的意思是逻辑装置将由于模拟信号近零交叉的不一致斜率而在周期测量结果中引入误差。例如，信号506的零交叉斜率引起534,546中的周期中的误差。模拟信号波形500可具有理想的零交叉与零交叉间隔，但逻辑装置将在数字波形520中产生一个较短的周期和一个较长的周期，这对应于模拟波形500的幅度的变化。数字信号520具有等同的形状，其具有与第一特征信号504对应的第一信号522。数字波形520还包括与波形500的波506对应的第二数字信号524。如将通过比较波形500,520理解的那样，波形尺寸的变化对应于目标轮特征中的瑕疵。

数字信号520接着被转换成周期测量结果530，其中测量多个时间周期532且其对应于具有正常尺寸的目标特征。然而，在目标特征在尺寸、形状或间隔方面变化的情况下，例如，数字信号524和模拟信号500从正常或标准特征尺寸或间隔变化。如图所示，时间周期测量结果530包括较长的时间周期534，其例如可对应于特征之间的较长间隔。缩短的时间周期536邻近该第一个较长的时间周期534。大体上，它们可为各不对称特征的至少一个缩短的和一个延长的时间周期测量结果。

在方程550中描述在周期530中示出的单独时间周期之间的关系。括号551示为在周期测量结果530与方程550之间，其绘出了与一次旋转对应的一组周期。如数学表达中所示，与几何瑕疵对应的缩短的时间周期536和延长的时间周期534被考虑在平均值中，且方程550通过利用与各目标特征相关的时间周期来考虑单次旋转。然而，如前所述，特征数可为与用于计算平均值的回转数相关的复数。因此，计算与目标的旋转不是异步的(其中平均值不与特定的旋转相关)，而是同步的。以此方式，通过在目标的至少一次回转内对周期求平均值来考虑瑕疵。尽管时间周期502指示从具有减少的幅度的一个波506标定的目标的一次回转，但目标的回转可标定至目标上的任何特征。

现在参看图9，计算转子速度的方法600以流程图形式绘出。根据第一步骤602，传感器与目标相对地定位。接下来，在步骤604处测量特征周期。特征周期为从一个特征的单个点到相邻特征处的相同第二点的时间的测量结果。如果这为第一次测量，则形成阵列，且将周期测量结果加至该阵列。备选地，将时间周期测量结果加入现有的阵列。在步骤604处测量周期之后，在步骤606处将新的周期测量结果加入阵列。阵列包括预选数目的输入(entry)，其等于或大于一次完整旋转或多次完整旋转。当达到预选数目的输入时，将最老的测量周期从阵列除去。此后，当进行附加的输入时，从阵列除去较老的输入，如由虚线指出的。

接下来，在步骤608处，在一次或一些多次完整回转内计算平均周期测量结果，以便考虑因目标或测量系统瑕疵引起的任何目标同步误差。在进行该确定之后，频率计算在步骤610处发生，且随后，在步骤612处确定一次或更多次回转的平均转子速度。

现在参看图10，示出了方法阵列600的图解表示。在附图的左侧处，绘出了阵列620。在阵列的顶部处，新的输入进入阵列620中，其中，P₀表示在步骤606处加至阵列的最新周期测量结果。在阵列的底部附近，P_x示为其在附加的新时间周期P₀进入时离开阵列620。一旦这完成，则在下一个步骤608处，计算平均周期，其中，通过在与一次回转或一些多次完整回转对应的阵列中加入与各特征对应的周期，且总数除以与目标的一次或更多次完整回转对应的特征数来求时间周期的平均值。

在步骤608之后，在步骤610处确定频率，其中，取平均时间周期的倒数来确定频率。接下来，在步骤612处，通过使用在步骤610处确定的频率来确定转子速度R。该示例的步骤610和612中的计算示出了在如下系统中产生以RPM计的转子速度所需的计算，该系统具有机械地附接到转子的目标。可执行类似的计算，以产生以备选单位如赫兹计的转子速度。此外，常数可应用于如下系统的计算出的转子速度，在该系统中目标与转子物理地分开，且在与转子速度成比例的速度下旋转。

尽管已在本文中描述和例示出了多个发明实施例，但本领域技术人员将容易构想用于执行功能和/或获得结果和/或在本文中描述的一个或更多个优点的各种其他手段和/或结构，且认为此类变型和/或改型中的各个在本文中描述的实施例的发明范围内。更一般来说，本领域技术人员将容易认识到，本文中所述的所有参数、大小、材料和构造意图为示范性的，且实际的参数、大小、材料和/或构造将取决于应用本发明教导的特定的一个或多个应用。本领域技术人员将认识到，或能够仅使用例行实验来确定本文中所述的特定发明实施例的许多等同物。因此，应理解的是，前述实施例仅是作为例子提出的，且在所附权利要求及其等同物的范围内，可与具体描述和要求保护不同地实施发明实施例。本公开的发明实施例涉及各单独的特征、系统、制品、材料、套件、和/或本文中所述的方法。此外，如果两个或更多个此类特征、系统、制品、材料、套件、和/或方法不相互矛盾，则此类特征、系统、制品、材料、套件、和/或方法的任何组合包括在本公开的发明范围内。

实例用于公开实施例，包括最佳实施方式，且还使本领域技术人员能够实施设备和/或方法，包括制作和使用任何装置或系统，和执行任何结合的方法。这些实例不意图为穷举的，或将本公开限于所公开的准确步骤和/或形式，且鉴于以上教导，许多改型和变型是可能的。本文中所述的特征可以以任何组合的形式组合。本文中所述的方法的步骤可以以任何顺序执行，且是物理上可能的。

如本文中限定和使用的任何定义应当理解为对照词典定义、通过引用而并入的文献中的定义、和/或限定的用语的普通意义。除非清楚地相反指出，否则如本文中在说明书和权利要求中使用的不定冠词“一”和“一个”，应当理解为意味着“至少一个”。如本文中在说明书和权利要求中使用的短语“和/或”应当理解为意思是如此结合的元件中的“任一者或二者”，即，在一些情况中结合地存在且在其他情况中分开存在的元件。此外，对一个实施例的参照不旨在解释为排除也可结合所述特征的附加实施例的存在。

还应当理解的是，除非清楚相反指出，否则在包括多于一个步骤或动作的在本文中所述的任何方法中，方法的步骤或动作的顺序不一定限于所叙述的方法的步骤或动作的顺序。

Claims (17)

1.一种测量转子速度的方法，包括：

将传感器(602)定位成与目标(12)相对，所述目标包括多个特征(14)；

测量(604)与经过所述传感器的所述目标上的所述多个特征中的各个之间的时间(122,124,126)对应的周期；

形成所述周期的阵列(620)，所述阵列包括直到预选数目的所述周期；

当加入新的周期且达到所述预选数目的周期时，从所述阵列(606)除去老的周期；

从所述阵列中的所述周期的子集来计算平均周期(608)，所述平均周期对应于一次完整回转或多次完整回转中的一者；和

从所述平均周期计算转子的旋转速度(612)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述目标包括至少一个几何瑕疵(117,119,218,313)。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括通过从所述目标的一次完整回转或多次完整回转中的一者求所述周期的平均值来补偿所述至少一个几何瑕疵。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述几何瑕疵特征引起所述周期的测量结果中的不一致。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少一个几何瑕疵包括相邻的所述特征之间的不一致的角间隔(117,119)。

6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少一个几何瑕疵包括所述特征中的具有不一致的径向高度(220)的至少一个。

7.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少一个几何瑕疵包括具有不对称中心(313)的所述目标。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述目标是与所述转子一体的。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述目标的转速等于所述转子的转速。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述目标连接到所述转子。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述目标的转速与所述转子的所述转速成比例。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阵列中的所述周期的所述预选数目大于或等于N乘以a，其中N为所述目标上的所述多个特征的数目，且a为对于所述平均周期考虑的所述目标的回转数。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述平均周期包括对N乘以来自所述阵列的所述周期的a数目求和，然后由N乘以a来除。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括利用转子计算机来确定所述平均周期。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括通过所述转子计算机利用所述平均周期来计算以期望单位计的转子速度。

16.根据权利要求1所述的方法，还包括连续地更新所述阵列。

17.一种测量转子速度的方法，包括：

将传感器(602)定位成与目标相对，所述目标包括多个特征，其中所述特征包括至少一个几何瑕疵；

测量与经过所述传感器的所述目标上的所述多个特征中的各个之间的时间对应的周期(604)；

形成所述周期的阵列(620)，所述阵列包括直到预选数目的所述周期；

当加入新的周期且达到所述预选数目的周期时，从所述阵列(606)除去老的周期；

从所述阵列中的所述周期的子集来计算平均周期(610)，所述平均周期对应于一次完整回转或多次完整回转中的一者；和

从所述平均周期计算转子的转速(612)，以补偿所述至少一个几何瑕疵。