CN106940542A - 旋转定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转定位系统。构造成提供绝对基准的旋转定位系统被提供。旋转定位系统包括安装在马达的马达轴上的编码器，并且该编码器构造成产生对应于马达轴的完整旋转的指示脉冲。该旋转定位系统还包括联接至马达轴的减速器，并且该减速器构造成以预先限定的比率降低马达的旋转运动；以及被联接至该减速器的输出驱动轴，并且该输出驱动轴构造成将被降低的旋转运动传递至负载。该旋转定位系统进一步包括安装在减速器的输出驱动轴上的传感器，并且该传感器被构造成确定该输出旋转轴的绝对定向；以及联接至该传感器的控制器，并且该控制器构造成产生绝对定向和指示脉冲计数的关联函数。

Description

旋转定位系统

优先权声明

当前申请特此要求2016年1月5日递交的印度专利申请号201641000246的优先权，其全部内容由此通过引用并入本文中。

技术领域

本发明一般地涉及旋转定位系统，并且更特别地涉及在旋转定位系统中提供绝对参考的系统和方法。

背景技术

典型地，旋转定位单元包括马达（例如，电的，液压的，等等）以及减速器，该减速器的输入由马达驱动，并且该减速器的输出传递旋转运动至负载。在这里，使用置于马达轴上或置于减速器的输出端处（或二者）的旋转编码器测量输出驱动轴的角度位置。特别地，角度位置测定是使用在马达轴上的相对低成本的增量编码器或高成本的多圈绝对编码器获得，或者使用在输出轴处的非常高成本的高分辨率绝对编码器获得。

然而，增量编码器开机时每次都得核对位置。提供可重复的基准的这个过程通常称为“校对”（mastering）。而且，校对要求旋转驱动器的输出驱动轴有计划地旋转至在它的运动范围的一个终点处的电子限位开关，并且极限的感测提供用于将编码器计数初始化成用户可编程的数值的参考信号。当多个旋转定位单元在系统中时，这个过程变得有问题，并且当它们相互依赖（例如，当在机械臂中时）时甚至更有问题。在一些情况中，当输出驱动轴参考限位开关在操作的范围之外时，校对变得繁琐。

当前，这些缺点的解决是使用在马达轴上使用昂贵的多圈但低分辨率的绝对编码器或者在减速器的输出驱动轴处使用甚至更昂贵的单圈高分辨率绝对编码器，或者是通过提供来自增量编码器的角度位置测定的带备用电池的非易失性存储。然而，对于精确运动应用，当安装在关节输出驱动轴处时，绝对编码器的分辨率得相对高（对于输出驱动轴的一个单圈，典型的24位或更多的级别）。而且，对于小的位数（8位左右），单圈绝对编码器相对便宜，但是当它们提供从16到30位时，成本和大小快速上升。

此外，带备用电池的非易失性存储解决方案要求监测电池寿命以及周期性的电池更换，并且不能处理旋转定位单元被手动干扰或在断电周期期间以其他方式干扰的场景。在这样的场景中，所存储的角度位置测定不能说明该干扰。

因此，需要成本有效的系统用于校对旋转定位单元。

发明内容

简而言之，根据本发明的一个方面，提供了构造成提供绝对基准的旋转定位系统。该旋转定位系统包括安装在马达的马达轴上的编码器，并且该编码器构造成产生对应于该马达轴的一个完整旋转的指示脉冲（index pulse）。该旋转定位系统还包括联接至该马达轴的减速器，并且该减速器构造成以预先限定的比率降低马达的旋转运动；以及联接至该减速器的输出驱动轴，并且该输出驱动轴构造成将被降低的旋转运动传递至负载。该旋转定位系统进一步包括安装在减速器的输出驱动轴上的传感器，并且该传感器构造成确定该输出驱动轴的绝对定向；以及联接至该传感器的控制器，并且该控制器构造成产生该绝对定向和该指示脉冲计数的关联函数。

附图说明

图1是根据当前技术的各方面所实施的旋转定位系统的一个实施方式的框图；

图2是根据当前技术的各方面所实施的旋转定位系统的示例实施方式的透视图；

图3是根据当前技术的各方面所实施的旋转定位系统的横截面视图；以及

图4是根据当前技术的各方面所实施的旋转定位系统的分解视图。

具体实施方式

当前发明提供旋转定位系统。本发明的旋转定位系统是基于使用广泛可用的、便宜的、低分辨率、小型的、耐用的、固态传感器，没有外部移动部件安装在输出驱动轴上（或联接至它的任何机械结构）。下面用示例实施方式和附图来描述旋转定位系统。在本说明书中提到“一个实施方式”、“实施方式”、“示例性实施方式”指的是所描述的实施方式可以包括特定特征、结构或特性，但是每一种实施方式可以不必包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的短语不必表示相同的实施方式。另外，当特定的特征、结构或特性与实施方式结合描述时，主张的是将这样的特征、结构或特性改变为与其他实施方式结合是在本领域技术人员的知识范围内的，不论其是否被明确描述。

图1是根据当前技术的各方面所实施的旋转定位系统的一个实施方式的框图。系统10包括编码器12、马达14和减速器16。系统10进一步包括负载18、传感器20和控制器22。下面进一步详细地描述每一个部件。

编码器12安装在马达14的马达轴24上，并且该编码器构造成产生对应于马达轴24的完整旋转的指示脉冲。编码器12是用于在一些应用中进行感测的机电装置，如位于与驱动器和自动化机构配对的马达上，用于从消费电子、电梯和传送机速度监测到在自动化工业机器和机器人上的位置控制的所有事物。编码器12追踪马达轴24的转动以产生数字位置和运动信息。在一个实施方式中，编码器12构造成在绝对值或增量值上操作。典型地，各编码器的输出指示马达轴的当前位置，使它们成为角度传感器（angle transducers）。

对于工业应用而言，当需要相对的马达或输出轴位置时或成本是问题时，使用增量编码器。相反，当成本不是约束条件时或当需要绝对的马达或输出轴位置时，使用绝对编码器（其在每一个位置处给出不同的二进制输出，因此轴位置是绝对确定的）。对于增量编码器而言，分辨率定义为每圈的计数。12-位编码器具有4096个计数的分辨率。对于绝对单圈编码器而言，轴位置作为多位字被直接地存取。对于多圈绝对编码器（追踪超过多个360°圈的那些编码器）而言，圈数也被整合至多位字中。

在一种实施方式中，增量编码器12提供三个通道，其被称为A、B和Z。Z通道是指示脉冲，对于马达轴24的一个完整的360度旋转该索引脉冲出现一次。

马达14包括转子和定子，并且马达14构造成驱动负载18。优选地，定子附接至固定部分，而转子附接至可移动部分。马达14的示例可以包括，但不限于，连续马达、步进马达、伺服马达，等等。虽然当施加电流时，大多数电动马达应用涉及马达轴的连续旋转，但是一些应用要求响应于角度位置命令的输出驱动轴的角度的精确控制。例如，一个重要的应用是驱动在电-液压和电-气动伺服阀中的阀芯。额外的应用包括定位机械臂、定位用于计算机磁盘驱动器的致动器、或者甚至移动在低频扬声器中的空气调节装置。

减速器16联接至马达轴24，并且减速器16构造成以驱动负载18所要求的预先限定的比率降低马达14的旋转运动。在一个示例实施方式中，减速器16可以包括齿轮或系列齿轮。在这个示例实施方式中，输出旋转运动的数值通过以“1/X”的比率降低速度输入旋转来实现。在这个情况中，“X”代表减速比。然后变量“X”乘以（multiplied against）未被减速的马达的旋转运动。这给出在减速器16已经被施加至马达14之后的马达14的旋转运动。然后这个旋转运动能够被施加以驱动其意在用于的任何负载。减速器16的示例包括，但不限于，正齿轮系、行星齿轮系、谐波减速器、蜗轮减速器，等等。

减速器被用在采用液压或电力机械的一些工业中。减速器的用途的一些示例在运行传送带、医疗器械、食品处理器、打印装置、计算机、汽车发动机以及建筑相关机械中。所使用的类型取决于马达的类型。

在一个实施方式中，输出驱动轴26联接至减速器16，并且输出驱动轴26构造成传递被减速的旋转运动至负载18。负载18的示例可以包括，但不限于，机床运动轴、机械臂关节，等等。

传感器20安装在马达14的输出驱动轴26上，并且传感器20构造成对于所产生的每一个指示脉冲确定输出驱动轴26的绝对定向。在一种实施方式中，传感器20进一步构造成使用一个或多个加速度、角速度和磁场的组合来确定输出驱动轴26的绝对定向。

在一个实施方式中，传感器20包括基于磁场或来自重力场的加速度的运动传感器或定向传感器。在将传感器20安装在输出驱动轴26上之后，完成一次校准，其为指示脉冲的出现提供来自传感器20的绝对定向作为参考。在一个示例实施方式中，该一次校准通过将输出驱动轴26从预先限定的范围极限朝向由限位开关标记的相对的预先限定的范围极限旋转来执行。在这个运动期间，传感器20的读数被记录在每一个Z指示通道脉冲上。

控制器22联接至传感器20，并且控制器22构造成产生绝对定向和指示脉冲计数的关联函数。在一个示例实施方式中，控制器22包括算术单元、诸如中央处理器单元、由一些不同类型的存储器组成的存储器单元、以及包括计数器电路或类似物的指示脉冲计数单元。在这个示例实施方式中，控制器22执行输出驱动轴26的角度测量的操作。算术单元执行用于计算输出驱动轴26的角度的算术处理。存储器单元存储代表在来自编码器12的指示脉冲计数和输出驱动轴26之间的关系的数值。控制器22的示例可以包括，但不限于，数字信号处理器、微控制器、专用集成电路（ASICs），等等。

在一个实施方式中，控制器22进一步构造成通过使用关联函数来确定对应于绝对定向的指示脉冲计数，以及预加载带有来自该关联函数的对应的关节角度数值的位置计数器。在另一实施方式中，控制器22进一步包括被构造成存储绝对定向角度和指示脉冲计数的关联函数的非易失性存储器。然后这个关节角度数值被用作驱动负载18的输入。

图2、图3和图4分别图示了根据当前技术的各方面所实施的旋转定位系统10的示例实施方式的透视图30、横截面视图40和分解视图50。上面所描述的旋转定位系统10可以被用于检测移动机构的位置，诸如，但不限于，用于驱动臂驱动类型或平台驱动类型的工业机器人。本发明基本上包括基础结构，其包括联接至马达14的马达轴24。马达轴24进一步经由减速器16联接至输出驱动轴26。如更早地所解释的，传感器20安装在输出驱动轴26上以为所产生的每个指示脉冲确定输出驱动轴26的绝对定向。

在此，输入旋转运动通过减速器16被转换以在输出驱动轴26处提供旋转运动。虽然关于这个本质的旋转定位系统解释了当前发明，但这个发明的方法的原理还能够应用至任意情况，该任意情况要求经由通过减速器连接至移动机构的绝对/增量编码器来测量该移动机构的运动，以及检测给定位置，诸如角度位置或线性位置。

在操作中，控制器22开始旋转运动（在与在校准过程中所使用的方向相同的方向上）并且在感测到Z通道指示脉冲时，控制器22记录该传感器数据。控制器22使用这个传感器数据以及关联函数以识别所感测的指示脉冲的绝对计数。在这个实施方式中，在这个指示脉冲处的马达轴24的绝对角度位置由绝对指示脉冲计数和编码器12的分辨率的乘积给定。因为对于马达轴24的每一个完整旋转都出现指示脉冲，所以在对应于马达轴24的至多一个旋转的输出驱动轴26的运动内完成校对。

例如，考虑使用120:1比率的减速器的旋转定位单元。在这个示例实施方式中，当马达轴24旋转通过360度的一个完整旋转时，输出驱动轴26旋转通过3度。因此，仅通过将输出驱动轴26旋转3度就完成校对，然而，在传统的校对中，输出驱动轴26得被一直旋转至它的范围限位传感器。在这个示例实施方式中，传感器的分辨率需要等于或大于减速器比率。因此，120:1比率要求7-位（2^7=128）分辨率传感器。通常，传感器提供从8位开始并且一直到12位（并且经常16位）的分辨率。这表示能够容易地支持高达4000:1的减速器比率。

因此，上面所描述的旋转定位系统提供在对应于马达轴的至多一次旋转的输出驱动轴的运动内校对的优点，这进而消除了将输出驱动轴旋转至在它的运动范围的一个终点处的电子限位开关的需求。另外，这个发明通过消除在输出驱动轴处使用高分辨绝对编码器或在输入马达轴处使用多圈绝对编码器来提供成本上的大幅降低。

本领域技术人员将理解的是，一般而言，本文中所使用的术语，并且尤其在所附的权利要求（例如，所附权利要求的主体）中所使用的术语通常意在作为“开放”术语（例如，术语“包括”应该被解释为“包括但不限于”，术语“具有”应该被解释为“至少具有”，术语“包括”应该被解释为“包括但不限于”，等等）。本领域技术人员将进一步理解的是，如果所引入的权利要求陈述的具体数字是有意的，那么这样的意图将被明确地陈述在该权利要求中，并且在不存在这样的陈述的情况下，不存在这样的意图。

例如，作为理解的辅助，下面所附的权利要求可以包括开端短语“至少一个”和“一个或多个”的使用，以介绍权利要求陈述。然而，这样的短语的使用不应该被解释成暗示通过不定冠词“a”或“an”的权利要求陈述的介绍将包含这样的所介绍的权利要求陈述的任意特定的权利要求限制为仅包含一个这样的陈述的实施方式，即使当相同的权利要求包括开端短语“一个或多个”或“至少一个”以及诸如“a”或“an”的不定冠词时（例如，“a”和/或“an”应该被解释为意味着“至少一个”或“一个或多个”）；同样对于用以介绍权利要求陈述的定冠词的使用也是如此。此外，即使所介绍的权利要求陈述的具体数字被明确地陈述，本领域技术人员将意识到的是这样的陈述应该被解释为意味着至少所陈述的数字（例如，“两个陈述”的单纯陈述，没有其他修饰语，意味着至少两个陈述（recitation），或两个或多个陈述）。

虽然在本文中已经图示和描述了一些实施方式的仅某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，要理解的是所附权利要求意在覆盖落在本发明的真实精神内的全部这样的修改和改变。

Claims (8)

1.一种旋转定位系统，其构造成提供绝对基准，所述旋转定位系统包括：

编码器，所述编码器安装在马达的马达轴上，并且构造成产生对应于马达轴的完整旋转的指示脉冲；

减速器，所述减速器联接至所述马达轴，并且构造成以预先限定的比率降低所述马达的旋转运动；

输出驱动轴，所述输出驱动轴联接至所述减速器，并且构造成将被降低的旋转运动传递至负载；

传感器，所述传感器安装在所述减速器的所述输出驱动轴上，并且构造成确定所述输出旋转轴的绝对定向；以及

控制器，所述控制器联接至所述传感器，并且构造成产生所述绝对定向和指示脉冲计数的关联函数；其中，所述关联函数提供所述马达轴的所述绝对基准。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器进一步构造成通过使用所述关联函数来确定对应于所述绝对定向的指示脉冲计数，并且预加载带有来自所述关联函数的对应的关节角度值的位置计数器。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器进一步构造成使用加速度、角速度和磁场的组合来确定所述输出驱动轴的绝对定向。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述编码器被构造成在绝对数值或增量数值上操作。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器包括运动传感器或定向传感器。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器构造成通过对所述指示脉冲的出现提供来自所述传感器的所述绝对定向作为参考来执行一次校准。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述一次校准通过将所述输出驱动轴从预先限定的范围极限朝向由限位开关标记的相对的预先限定的范围极限旋转来执行。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器进一步包括非易失性存储器，所述非易失性存储器构造成存储绝对定向角度和指示脉冲计数的关联函数。