CN107027319B - 可编程传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于编码器的传感器。传感器包括感测电路、活动设置模块、不活动设置模块以及传感器接口。将感测电路模块配置成生成与感测到的特性相关的输出信号。活动设置模块包括第一极宽度设置。第一极宽度设置与用于编码器的第一极宽度相关联。第一极宽度设置可由感测电路模块访问。不活动设置模块包括第二极宽度设置。第二极宽度设置与用于编码器的第二极宽度相关联。感测电路模块不可访问第二极宽度设置。将传感器接口配置用于从不活动设置模块检索第二极宽度设置，并将第二极宽度设置写入到活动设置模块。

Description

可编程传感器

相关申请

本申请要求2014年12月29日提交的美国临时专利申请号62/097,314的权益，藉此将其整体内容通过引用结合进来。

背景技术

本发明涉及可编程传感器。

发明内容

编码器技术（例如，磁编码器技术）为诸如电机控制、矢量控制、旋转变压器更换、电动助力转向、风能、舞台照明、机器人技术、web处理、打印等的运动控制应用提供可靠的高分辨率性能。特别地，对经历高温、冲击和振动的环境而言，磁编码器是理想的。编码器可以包括例如移动构件以及可以用于检测该移动构件的位置或速度的一个或多个传感器的阵列。基于来自传感器的输出信号，可以确定用于编码器的精确位置或速度信息。

然而，为一个移动构件产生准确位置或速度数据的传感器阵列可能不会为不同的移动构件产生准确的位置或速度数据。传感器可为一个移动构件产生准确且可靠的数据而为另一个产生不可靠且不准确的数据存在多种原因。例如，每个旋转构件被编码有周期模式（pattern），并且在该模式的长度上使用传感器阵列中的一个或多个感测元件（例如，霍尔效应感测元件）来生成与位置和/或速度相关的输出信号。具体参考旋转增量编码器（例如，包括用于速度和位置检测的旋转构件的旋转编码器），一个旋转构件可大于另一旋转构件，并且一个旋转构件可具有与另一旋转构件不同的分辨率或极宽度（例如，相同极性的极之间的距离）。

被设计成检测旋转构件的位置或速度的传感器或传感器芯片在配置期间使用例如外部测量装备进行微调，以优化用于检测具体极宽度的传感器芯片中的偏移值。与微调相关联的偏移值或极宽度数据被一次性地保存在芯片中或保存在可重复编程的非易失性存储器中。这样的用来“归零”偏移的动作需要对多个传感器芯片信号的访问，并且在传感器投入服务之前完成。

本文中描述的发明涉及可编程传感器或传感器芯片（例如，用于线性或旋转编码器的磁位置传感器）以及用于对传感器或传感器芯片进行编程或重新编程的过程。传感器通常利用集成电路（例如，专用集成电路[“ASIC”]）中的未使用或不活动的可编程存储器来存储配置信息。可以检索配置信息以允许快速地配置传感器或对其重新编程，以与具有不同分辨率或极宽度的许多不同的磁目标一起工作。可以在不使用专门的硬件或软件的情况下实现对传感器的配置或重新编程。

在一个实施例中，本发明提供用于编码器的传感器。传感器包括感测电路、活动设置模块、不活动设置模块以及传感器接口。感测电路模块可操作以生成与感测到的特性相关的输出信号。活动设置模块包括存储在第一物理存储器位置中的第一极宽度设置。第一极宽度设置与用于编码器的第一极宽度相关联。第一极宽度设置可由感测电路模块从第一物理存储器位置进行访问。不活动设置模块包括存储在第二物理存储器位置中的第二极宽度设置。第二极宽度设置与用于编码器的第二极宽度相关联。第二极宽度设置可由感测电路模块从第二物理存储器位置进行访问。传感器接口可操作以从不活动设置模块中的第二物理存储器位置中检索第二极宽度设置，并且将第二极宽度设置写入到活动设置模块中的第一物理存储器位置。

在另一实施例中，本发明提供对用于编码器的传感器进行编程的方法。该方法包括将第一极宽度设置存储在活动设置模块的第一物理存储器位置中。第一极宽度设置与用于编码器的第一极宽度相关联，并且第一极宽度设置可由感测电路模块从第一物理存储器位置进行访问。该方法还包括将第二极宽度设置存储在不活动设置模块的第二物理存储器位置中。第二极宽度设置与用于编码器的第二极宽度相关联，并且第二极宽度设置可由感测电路模块从第二物理存储器位置进行访问。该方法还包括由感测电路模块从活动设置模块的第一物理存储器位置中检索第一极宽度设置、从不活动设置模块的第二物理存储器位置中检索第二极宽度设置，将第二极宽度设置写入到活动设置模块中的第一物理存储器位置以及由感测电路模块从活动设置模块的第一物理存储器位置检索第二极宽度设置。

在另一实施例中，本发明提供用于编码器的传感器。传感器包括感测电路、活动数据模块、不活动数据模块以及传感器接口。将感测电路模块配置成生成与感测到的特性相关的输出信号。活动数据模块包括第一极宽度数据。第一极宽度数据与用于编码器的第一极宽度相关联。第一极宽度数据可由感测电路模块进行访问。不活动数据模块包括第二极宽度数据。第二极宽度数据与用于编码器的第二极宽度相关联。第二极宽度数据不可由感测电路模块进行访问。将由最终用户使用的传感器接口配置用于从不活动数据模块检索第二极宽度数据，并且将第二极宽度数据写入到活动数据模块。

通过考虑详细描述和附图，本发明的其它方面将变得显而易见。

附图说明

图1图示出传感器系统的一部分。

图2图示出包括传感器阵列的传感器系统，所述传感器阵列位于邻近于包括交变磁极的可旋转构件。

图3是根据本发明的实施例的传感器系统的框图。

图4是根据本发明的实施例的可编程传感器的框图。

图5是根据本发明的实施例的用于操作和配置传感器或对其重新编程的过程。

在详细地解释本发明的任何实施例之前，将理解的是，本发明在其应用上并不限于以下描述中阐述的或以下附图中示出的构造的细节和组件的布置。本发明能够具有其它实施例并且能够以各种方式被实践或实现。此外，将理解的是，本文中使用的措辞和术语是为了描述的目的，并且不应被视为限制。“包括”、“包含”或“具有”以及其变体在本文中的使用意指包括其后列出的项目及其等同物以及附加项目。术语“安装”、“连接”和“耦合”被广泛地使用并且包括直接和间接安装、连接和耦合二者。此外，“连接”和“耦合”不限于物理或机械连接或耦合，并且可以包括电气连接或耦合，无论是直接还是间接的。此外，电子通信和通知可以使用任何已知手段来执行，包括直接连接、无线连接等。

应当注意的是，可以利用多个基于硬件和软件的设备以及多个不同的结构组件来实现本发明。此外，并且如后续段落中所描述的，附图中所图示的具体配置旨在例示本发明的实施例，而且其它替换配置是可能的。术语“处理器”、“中央处理单元”和“CPU”是可互换的，除非另有说明。在使用术语“处理器”或“中央处理单元”或“CPU”作为识别执行具体功能的单元的情况下，应当理解的是，除非另有说明，否则那些功能可以由数字逻辑、状态机、单个处理器或以任何形式布置的多个处理器（包括并行处理器、串行处理器、串联处理器或云处理/云计算配置）来实现。

具体实施方式

本文中描述的本发明涉及可以被编程或重新编程以便准确地检测各种编码器或编码构件（例如，旋转编码构件）的位置和速度的传感器。例如，旋转增量编码器包括旋转构件和用于确定旋转构件的位置和速度的传感器阵列（例如，包括一个或多个传感器）。旋转构件包括具有模式长度的模式，包括例如交变南北磁极。磁极具有极宽度，其对应于单个极的宽度或具有相同极性的极之间的宽度（例如，1-5mm极宽度），并且对于传感器来说，只有一个极宽度设置或微调设置能够是活动的。然而，传感器在制造过程中也会针对许多不同的配置或极宽度进行微调。将针对这些附加的配置或极宽度优化传感器所需的数据或设置保存在传感器的不活动存储器位置中。在正常操作期间，传感器不会和/或不能访问不活动存储器。然后，用户可以再调用所存储的设置并使用它们来重新配置或重新编程传感器，而无需专门的测量或编程设备。从不活动存储器位置检索所存储的设置并将其写入到传感器内的活动存储器位置，使得然后将传感器配置为新的或不同的极宽度设置（即，所述活动和不活动存储器位置对应于传感器内的物理存储器位置）。

尽管主要关于使用磁极和霍尔效应传感器的旋转增量编码器描述了本发明，但是本发明也可以应用于各种类型的传感器、绝对编码器、线性编码器以及使用除霍尔效应传感器之外的传感器的编码器。具体地，图1图示出包括传感器阵列105的传感器系统100的一部分。在一些构造中，在单个集成电路115上包含传感器系统100的传感器元件。传感器阵列中的传感器生成模拟或数字输出信号。

图1的传感器系统100的该部分可以与诸如可旋转构件130（例如，旋转编码器的轮或轴）的可移动构件一起使用，如图2中所示。图1的传感器系统100的该部分在图2中被示出为安装在电路板125上的集成电路115。将高分辨率传感器阵列105部署邻近于在具有嵌入在其中的多个交替磁极145的外边缘处具有磁区140的圆形板135。圆形板135可以被附连到可旋转构件130或者可以是可旋转构件130的组成部分。传感器系统100也可以与线性编码器一起实现或使用。

图3图示出包括控制器205的传感器系统200。将控制器205电气地和/或通信地连接到系统200的各种模块或组件。例如，将图示的控制器205连接到一个或多个致动设备（例如，电机）和驱动210、电源模块215、输出设备220以及（通过对应的前端电路230A-230N）连接到多个传感器225A-225N，其中N指示包括在系统200中的传感器的某有限数目。控制器205包括可操作以监测和/或控制系统200的操作、控制致动设备210的移动、监测霍尔效应传感器225的输出以及其它等的硬件和软件的组合。

在一些实施例中，控制器205包括向系统200提供电力、监测和控制的多个电气和电子组件。例如，除其它之外，控制器205还包括处理单元235（例如，微处理器、微控制器或另一合适的可编程设备）、物理存储器240、输入单元245和输出单元250。除其它之外，处理单元235还包括控制单元255、算术逻辑单元（“ALU”）260以及多个寄存器265（在图3中示出为一组寄存器），并且使用诸如修改的哈佛架构、冯诺依曼架构等的已知计算机架构来实现。处理单元235、存储器240、输入单元245和输出单元250，以及连接到控制器205的各种模块通过一个或多个控制和/或数据总线（例如，公共总线270）来连接。出于例证的目的，在图3中一般性地示出了控制和/或数据总线。鉴于本文中所描述的发明，本领域技术人员将知道使用一个或多个控制和/或数据总线用于各种模块和组件之间的互连和通信。在一些实施例中，系统200被部分地或整体地实现在半导体芯片（例如，专用集成电路[“ASIC”]、现场可编程门阵列[“FPGA”]半导体等）上。

物理存储器240包括例如程序存储区域和数据存储区域。程序存储区域和数据存储区域可以包括不同类型的存储器的组合，诸如只读存储器（“ROM”）、随机存取存储器（“RAM”）（例如，动态RAM[“DRAM”]、同步DRAM[“SDRAM”]等）、电可擦可编程只读存储器（“EEPROM”）、闪速存储器、硬盘、SD卡或其它适合的磁、光、物理或电子存储器设备。处理单元235被连接到存储器240并且执行能够存储在存储器240的RAM（例如，在执行期间）、存储器240的ROM（例如，在一般永久的基础上）或另一非暂时性计算机可读介质（诸如另一存储器或光盘）中的软件指令。可以将在系统200的实现方式中所包括的软件存储在控制器205的存储器240中。软件包括例如固件、一个或多个应用、程序数据、过滤器、规则、一个或多个程序模块以及其它可执行指令。将控制器205配置成从存储器检索并且除其它之外执行与本文中描述的控制过程和方法相关的指令。在其它构造中，控制器205包括附加的、较少的或不同的组件。

电源模块215向控制器205或系统200的其它组件或模块提供标称AC或DC电压。电源模块215由例如具有在100V与240V AC之间的标称线电压和大约50-60Hz的频率的电源供电。还将电源模块215配置成提供较低的电压以操作控制器205内的电路和组件。在其它构造中，控制器205或系统200内的其它组件和模块由一个或多个电池或电池组、或另一独立于电网的电源（例如，发电机、太阳能面板等）供电。

图4图示出包括感测电路模块305的传感器或传感器集成电路（“IC”）300的简化框图。感测电路模块305可以包括处理器或处理单元。在一些实施例中，传感器300包括类似于上面关于图3描述的系统200的电路和功能性（例如，处理单元、物理存储器、多个传感器等）。感测电路模块305使用微调设置或极宽度设置（例如，极宽度偏移设置）来“归零”感测电路的分辨率或极宽度偏移。传感器300还包括活动微调设置模块310、不活动/存储的微调设置模块315、第一接口320和第二接口325。活动微调设置模块310和不活动/存储的微调设置模块315中的每一个包括诸如上面所描述的存储器240的存储器。在一些实施例中，第一接口320允许外部连接到被配置成接收测量结果和感测数据的设备。第一接口320可以包括例如用于与设备通信的四根导线。第二接口325提供外部接口以用于编程或重新编程处在活动微调设置模块310中的微调设置。在一些实施例中，第二接口325包括两根导线以提供双线接口（“TWI”）。在其它实施例中，第二接口325可以包括三根导线。

用于活动微调设置模块310中的微调设置的值是由感测电路模块305使用的微调设置，并且应该对应于正在使用的编码构件的分辨率或极宽度。可以对传感器300编程或重新编程以使用不同的活动值用于活动微调设置模块310中的微调设置。例如，可以从不活动/存储的微调设置模块315中的第二物理存储器位置检索微调设置，并且使用接口325将其写入到活动微调设置模块310中的第一物理存储器位置中。在一些实施例中，控制或限制该重新编程功能的触发，以避免无意地改变活动微调设置模块310中的微调设置的值。为了防止活动微调设置的不想要的重新编程，可以除了外部启用引脚还使用TWI来实现活动微调设置的编程或重新编程。在一些实施例中，TWI被包括有用于传感器300的传感器电缆。启用功能可以例如通过传感器PCB上的簧片开关或霍尔效应开关或者通过将传感器输出引脚反向驱动到具体的可检测阈值电压来触发。在已启用对传感器300的重新编程之后，可以使用诸如I²C（“I方C”）之类的TWI协议来对传感器300进行重新编程。

在图5中示出了用于使用和编程或重新编程传感器300的过程400。过程400以确定与一个或多个编码器相关的微调设置或极宽度设置值开始（步骤405）。微调设置可以可选地存储在传感器300的活动存储器位置（例如，活动微调设置模块310）中（步骤410）。此外，也将微调设置或极宽度设置存储在传感器300的不活动存储器位置（例如，不活动/存储的微调设置模块315）中（步骤415）。当（例如，在速度和/或位置检测期间）感测或检测特性时，存储在传感器300的活动存储器位置中的微调设置或极宽度设置由例如感测电路模块305来检索并使用。存储在传感器300的不活动存储器位置中的微调设置或极宽度设置不可由感测电路模块305访问和/或使用。当发起了编程或重新编程操作时，将接口连接到传感器300（步骤420）。然后，从传感器300的不活动存储器位置检索微调设置或极宽度设置（步骤425）。将从不活动存储器位置检索的微调设置或极宽度设置写入到传感器的活动存储器位置（步骤430）。通过将检索到的微调设置或极宽度设置写入到活动存储器位置，存储在活动存储器位置的先前的微调设置或极宽度设置被重写或替换。然后，当（例如，在速度和/或位置检测期间）感测或检测特性时，存储在传感器300的活动存储器位置中的该新的微调设置或极宽度设置由感测电路模块305来检索并使用（步骤435）。

因此，除其它之外，本发明还提供可以针对具有不同分辨率或极宽度的各种磁目标进行编程和重新编程的传感器。在以下权利要求中阐述本发明的各种特征和优点。

Claims (20)

1.一种用于编码器的传感器，所述传感器包括：

感测电路模块，可操作以生成与感测到的特性相关的输出信号；

活动设置模块，包括存储在第一物理存储器位置中的第一极宽度设置，所述第一极宽度设置与用于编码器的第一极宽度相关联，所述第一极宽度设置可由所述感测电路模块从所述第一物理存储器位置进行访问；

不活动设置模块，包括存储在第二物理存储器位置中的第二极宽度设置，所述第二极宽度设置与用于编码器的第二极宽度相关联，所述第二极宽度设置不可由所述感测电路模块从所述第二物理存储器位置进行访问；以及

传感器接口，可操作以从所述不活动设置模块中的所述第二物理存储器位置检索所述第二极宽度设置并将所述第二极宽度设置写入到所述活动设置模块中的所述第一物理存储器位置。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述传感器包括霍尔效应传感器。

3.根据权利要求1所述的传感器，其中所述传感器接口是双线接口。

4.根据权利要求1所述的传感器，其中所述传感器被包括在专用集成电路（“ASIC”）中。

5.根据权利要求1所述的传感器，其中所述不活动设置模块包括所述第一极宽度设置和所述第二极宽度设置。

6.根据权利要求5所述的传感器，其中所述编码器是旋转编码器。

7.根据权利要求5所述的传感器，其中所述编码器是线性编码器。

8.一种对用于编码器的传感器进行编程的方法，所述方法包括：

将第一极宽度设置存储在活动设置模块的第一物理存储器位置中，所述第一极宽度设置与用于编码器的第一极宽度相关联，所述第一极宽度设置可由感测电路模块从所述第一物理存储器位置进行访问；

将第二极宽度设置存储在不活动设置模块的第二物理存储器位置中，所述第二极宽度设置与用于编码器的第二极宽度相关联，所述第二极宽度设置不可由所述感测电路模块从所述第二物理存储器位置进行访问；

由所述感测电路模块从所述活动设置模块的所述第一物理存储器位置中检索所述第一极宽度设置；

从所述不活动设置模块的所述第二物理存储器位置中检索所述第二极宽度设置；

将所述第二极宽度设置写入到所述活动设置模块的所述第一物理存储器位置；以及

由所述感测电路模块从所述活动设置模块的所述第一物理存储器位置中检索所述第二极宽度设置。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述传感器包括霍尔效应传感器。

10.根据权利要求8所述的方法，其中使用双线接口从所述不活动设置模块检索所述第二极宽度设置。

11.根据权利要求8所述的方法，其中所述传感器被包括在专用集成电路（“ASIC”）中。

12.根据权利要求8所述的方法，进一步包括将所述第一极宽度设置存储在所述不活动设置模块中。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述编码器是旋转编码器。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述编码器是线性编码器。

15.一种用于编码器的传感器，所述传感器包括：

感测电路模块，被配置成生成与感测到的特性相关的输出信号；

活动数据模块，包括第一极宽度数据，所述第一极宽度数据与用于编码器的第一极宽度相关联，所述第一极宽度数据可由所述感测电路模块进行访问；

不活动数据模块，包括第二极宽度数据，所述第二极宽度数据与用于编码器的第二极宽度相关联，所述第二极宽度数据不可由所述感测电路模块进行访问；以及

传感器接口，被配置用于从所述不活动数据模块检索所述第二极宽度数据并将所述第二极宽度数据写入到所述活动数据模块。

16.根据权利要求15所述的传感器，其中所述传感器包括霍尔效应传感器。

17.根据权利要求15所述的传感器，其中所述传感器接口是双线接口。

18.根据权利要求15所述的传感器，其中所述传感器被包括在专用集成电路（“ASIC”）中。

19.根据权利要求15所述的传感器，其中所述不活动数据模块包括所述第一极宽度数据和所述第二极宽度数据。

20.根据权利要求19所述的传感器，其中所述编码器选自包括旋转编码器和线性编码器的群组。