CN107810390A - 位置编码器 - Google Patents

Abstract

一种位置编码器，包括可移动构件及至少第一和第二传感器。可移动构件能相对于第一和第二传感器移动，第一传感器适于捕获可移动构件的当前位置的第一分量并输出与其相对应的第一信号，第二传感器适于捕获当前位置的与第一分量互补的第二分量并且输出与第二分量相对应的第二信号，其中位置编码器还包括：保存多个预定查找值的至少第一存储器单元，每个预定查找值表示与至少第一和第二信号的相应组相对应的位置值，并且与通过将该相应组的信号进行级联所形成的单独的存储器地址相关联，第一存储器单元用于接收通过将由第一和第二传感器输出的至少第一和第二信号进行级联所形成的存储器地址，并作为响应输出与所接收的存储器地址相关联的预定查找值。

Description

位置编码器

技术领域

本发明涉及位置编码器，更具体而言涉及一种用于测量位置相关数字的优选为磁性的位置编码器。

背景技术

这种位置编码器的例子是用于测量角度相关数字（如轴相对于参考位置的角度位置）的旋转编码器。位置编码器的另一个例子是用于测量线性位移的线性编码器。位置编码器通常是已知的并且通常包括可移动构件以及至少第一传感器和第二传感器，其中可移动构件能够相对于第一传感器和第二传感器移动。第一传感器适于捕获可移动构件的当前位置的第一分量并且输出与第一分量相对应的第一信号，该第一分量通常是该位置的正弦分量。第二传感器适于捕获当前位置的与第一分量互补的第二分量，并输出与第二分量相对应的第二信号，该第二分量通常是该位置的余弦分量。到目前为止，第二分量与第一分量是互补的，因为尽管当前位置(例如角度或线性)值可能不能单独地由第一或第二分量充分定义，第一和第二分量一起则包括足够的信息来推导出当前位置值。因此，可以根据一对第一和第二分量来估计位置值，例如，利用通常已知的三角函数方法。在磁性位置编码器的情况下，可移动构件包括具有多个相对磁极的至少一个磁性元件，并且第一和第二传感器是诸如霍尔传感器的磁性传感器。

通常有两种类型的位置编码器：一种是绝对编码器，另一种是增量编码器。绝对位置编码器直接将可移动构件的位置确定为绝对值。相反，增量编码器仅捕获相对于某个可能未知并且必须稍后以其他方式确定的参考位置的增量位置值。然而，与类似的绝对编码器相比，增量编码器通常具有更高的分辨率。这是因为增量编码器通常仅捕获整个测量范围的一部分。因此，如果可以通过具有一定分辨率的绝对编码器捕捉全部测量范围，则可以通过将测量范围划分成多个部分来使总体分辨率倍增，其中每个部分分别由具有类似分辨率的增量编码器捕获。

位置编码器的一个特殊实施例是用于高精度地测量绝对位置的绝对和增量位置组合编码器。这样的编码器以双重方式工作。一方面，如上所述的第一位置编码器组件被用于以粗糙精度测量绝对位置。另一方面，可以集成到第一组件中的第二位置编码器组件被用于高精度地测量增量位置。通过使用测量的绝对值作为测量的增量值的参考位置来组合这些测量值，得到高精度地表示绝对位置的位置值。与使用高精度的纯绝对位置编码器的绝对位置的直接测量值相比，这种双重测量可以更有效地执行。在EP2711663A1中描述了这种绝对和增量位置组合编码器的例子，其中位置编码器是旋转编码器。

如上所述的高精度位置编码器的一般问题在于，根据相应的第一和第二信号计算绝对位置值和增量位置值和/或根据这些中间结果以及后续的处理后步骤（例如线性校正）计算组合的高分辨率位置值需要大量的计算资源。即使使用了高效的算法，例如使用CORDIC（坐标旋转数字计算机）算法，依然需要大量的计算资源。通常，必要的计算步骤在具有固定的微代码的标准微处理器上进行，例如FPGA（现场可编程门阵列）上。然而，使用的这种计算资源越多，位置编码器就越不可靠。此外，计算资源的布局和设计以及这样的资源增加了位置编码器的生产成本。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种能够以高精度和改善的可靠性来测量位置的位置编码器。

本发明的目的通过根据如下所述的位置编码器来实现。本发明的位置编码器包括可移动构件以及至少第一传感器和第二传感器，其中可移动构件能够相对于第一传感器和第二传感器移动。第一传感器适于捕获可移动构件的当前位置的第一分量并输出与第一分量相对应的第一信号。相应地，第二传感器适于捕获当前位置的第二分量并输出与第二分量相对应的第二信号。第二分量与第一分量是互补的。位置编码器还包括保存多个预定查找值的至少第一存储器单元，每个预定查找值表示与至少第一和第二信号的相应组相对应的位置值，并且与通过将相应组的信号进行级联所形成的单独的存储器地址相关联。第一存储器单元被配置为接收通过将分别由第一和第二传感器输出的第一信号和第二信号进行级联所形成的存储器地址，并且作为响应输出与接收到的存储器地址相关联的预定查找值。优选地，第一存储器的每个预定查找值表示与第一和第二信号的相应对相对应的位置值，并且与通过将相应对的第一和第二信号进行级联所形成的单独的存储器地址相关联，其中第一存储器单元被配置为接收将由所述第一和第二传感器分别输出的所述第一和第二信号进行级联所形成的存储器地址。

可移动构件优选地连接或可连接到其移动将被测量的对象。原则上可以用这种方式来估计许多不同类型的运动。但是，可移动构件可以被限制为特定类型、方向和/或范围的移动。例如，在位置编码器是线性编码器的情况下，可移动构件可以仅在有限的范围内线性移位。或者，在位置编码器是旋转编码器的情况下，可移动构件可以围绕轴线旋转，可以具有也可以不具有角度限制。

如前所述，第一分量通常是正弦分量，互补的第二分量是可移动构件当前位置的余弦分量。因此，第一和第二传感器需要相对于可移动构件设置，以便传感器传送所需的分量。例如，在位置编码器是旋转编码器的情况下，可移动构件是旋转构件，并且第一和第二传感器优选地以相对于彼此90度的角度设置在旋转构件的圆周处。然而，只要第一和第二分量相互互补以使得该位置可以明确地从两个分量一起导出，则传感器的其他设置和第一和第二分量的其他关系也是可能的。如果位置编码器是旋转编码器，则旋转构件最好由一个平的圆盘形成，该圆盘例如可以附接到一个轴上，该轴的一个角度位置将利用旋转编码器测量。

第一存储器单元的主要目的是有效地替换上述那些用于基于第一和第二信号来估计位置值的计算资源。第一存储单元基本上用作预定值的查找表。这些预定查找值中的每一个表示已经根据相应的第一和第二信号计算出的位置值，其基本上与每次由该计算资源重新计算的其他方式相同的方式计算。特别地，对于由传感器输出的每个可能的或至少合理的信号组，在所述第一存储器中容易地访问相应的查找值。为了根据相应的信号组来访问特定的查找值，每个查找值都与通过将这组信号进行级联所形成的单独的存储器地址相关联。在这种情况下，信号的级联是指产生唯一存储器地址的信号的组合，即不同的信号组产生不同的存储器地址。特别地，至少第一和第二信号（优选其数字表示）的相应组的信号直接形成或被转换成相应的存储器地址部分（在组是一对第一信号和第二信号的情况下，可被看作是“高”和“低”存储器地址部分），其中对应于该组的存储器地址由（至少）这些存储器地址部分例如通过简单的顺序链接而组成。当接收到这样的存储器地址时，存储器单元输出表示该位置值的预定查找值，其中该存储器地址以定义的方式将该信号组链接到对应的位置值。存储器单元因此适于替代其他方法需要的计算手段。

通过有效地省略用于生成位置编码器的输出信号的任何计算，并且替代地将必要的计算结果作为预定查找值存储在存储器单元中，增加了位置编码器的可靠性和效率。如本领域的技术人员将会注意到的，这样的计算通常比从存储器读取正确的计算结果更容易出错。此外，仅执行一次计算并存储该值的效率更高，而不是在每次需要该值时重复计算。当使用位置编码器时，单独的位置通常会出现很多次。因此，特别有用的是，每当对应的位置出现时应该输出的单独的位置值仅被计算一次，并且当要输出该位置值时只需要从存储器单元中读出。

在从属权利要求、说明书和附图中指出了本发明的有益实施例。

根据优选实施例，位置编码器还包括至少第三和第四传感器，其中可移动构件可相对于第一，第二，第三和第四传感器移动。第一传感器适于捕获可移动构件的当前绝对位置的第一分量并且输出与当前绝对位置的第一分量相对应的第一绝对信号。相应地，第二传感器适于捕获当前绝对位置的第二分量并且输出与当前绝对位置的第二分量相对应的第二绝对信号。第二分量与当前绝对位置的第一分量互补。第三传感器适于捕获可移动构件的当前增量位置的第一分量并且输出与当前增量可移动位置的第一分量相对应的第一增量信号。第四传感器适于捕获与当前增量位置的第一分量互补的当前增量位置的第二分量并且输出与当前增量位置的第二分量相对应的第二增量信号。因此，本实施例的位置编码器是绝对和增量位置组合编码器，其能够通过将粗糙的绝对测量值与高分辨率增量测量值进行组合来高精度地测量位置值。

在该实施例中，第一存储器单元被配置为接收由以下至少一个所形成的存储器地址：将分别由第一和第二传感器输出的第一和第二绝对信号进行级联，以及将分别由第三和第四传感器输出的第一和第二增量信号进行级联。换句话说，该存储器地址由至少一对第一和第二信号形成，其中该至少一对对应于可移动构件的绝对位置或增量位置。这样，绝对和增量位置组合编码器的第一存储器单元用于估计根据第一和第二绝对信号的绝对位置值或根据第一和第二增量信号的增量位置值。

或者，第一存储器单元用于根据所有四个信号直接估计（总体）位置值。在该实施例中，第一存储器单元的每个预定查找值表示与至少第一、第二、第三和第四信号的相应组相对应的位置值，并且与通过将相应组的至少第一、第二、第三和第四信号进行级联所形成的单独的存储器地址相关联。第一存储器单元然后被配置为接收通过将分别由第一、第二、第三和第四传感器输出的第一、第二，第三和第四信号进行级联所形成的存储器地址，并作为响应输出与所接收的存储器地址相关联的预定查找值。

根据另一个实施例，第一存储器单元的每个预定查找值表示与第一和第二绝对信号的相应对相对应、并且与通过将相应对的第一和第二绝对信号进行级联所形成的单独的存储器地址相关联的（绝对）位置值，其中第一存储器单元被配置为接收通过将分别由第一传感器和第二传感器输出的第一和第二绝对信号进行级联所形成的存储器地址。位置编码器还包括至少一个第二存储器单元，它在功能上与第一存储器基本相同，即保存多个预定查找值，每个预定查找值表示与第一和第二增量信号的相应对相对应的（增量）位置值，并与通过将相应对的第一和第二增量信号进行级联所形成的单独的存储器地址相关联。第二存储器单元被配置为接收通过将分别由第三和第四传感器输出的第一和第二增量信号进行级联所形成的存储器地址，并且作为响应输出与所接收的存储器地址相关联的预定查找值。在该实施例中，一对第一和第二绝对信号以及一对第一和第二增量信号被分配给不同的相应存储器单元，每个存储器单元分别包括用于输出相应的绝对位置值和增量位置值的查找表。

作为上述实施例的替代方案，位置编码器包括至少第二存储器单元，其保存多个预定查找值，每个预定查找值表示与由第一存储器单元输出的预定查找值和不形成由第一存储器单元接收的存储器地址的第一和第二信号的相应三元组相对应的位置值，每个预定查找值进一步与通过将相应三元组的预定查找值和第一和第二信号进行级联所形成的单独的存储器地址相关联。第二存储器单元被配置为接收通过将由第一存储器单元输出的预定查找值与不形成由第一存储器单元接收的存储器地址的第一和第二信号进行级联所形成的存储器地址，并作为响应输出与所接收的存储器地址相关联的预定查找值。

类似于前面的实施例，在本实施例中，位置编码器也是绝对和增量位置组合编码器并且包括两个存储器单元。然而，与前面的实施例不同，第一和第二存储器单元不是并行排列以分别接收由绝对信号和增量信号形成的存储器地址。相反地，存储器单元被顺序排列，使得第二存储器单元接收一方面由第一存储器单元输出的预定查找值，另一方面由不形成由第一存储器单元接收的存储器地址的第一和第二信号所形成的存储器地址。因此，第一和第二绝对信号进入第一存储器单元，第一和第二增量信号（连同由第一存储器单元输出的查找值）进入第二存储器单元，或者反之。

作为对第一和第二存储器单元并行设置的实施例的另一改进，位置编码器还包括至少一个第三存储器单元，其保存多个预定查找值，每个预定查找值表示一个位置值，其与由第一存储器单元输出的预定查找值和由第二存储器单元输出的预定查找值的相应对相对应，并且与通过将相应对的由第一存储器单元输出的预定查找值和由第二存储器单元输出的预定查找值进行级联所形成的单独的存储器地址相关联。第三存储器单元被配置为接收通过将由第一存储器单元输出的预定查找值和由第二存储器单元输出的预定查找值进行级联所形成的存储器地址，并且作为响应输出与所接收的存储器地址相关联的预定查找值。

在该实施例中，第一和第二存储器单元被并行设置以分别接收第一和第二绝对信号以及第一和第二增量信号作为存储器地址，并且分别输出表示绝对和增量位置值的对应的预定查找值。第三存储器单元被设置在第一和第二存储器单元的下游，以接收由第一和第二存储器单元输出的一对预定查找值形成的存储器地址，使得所接收的存储器地址包括关于利用第一和第二存储器单元分别确定的绝对和增量位置值这两者的信息。因此，利用第三存储器单元，所有关于可移动构件的位置的测量信息，即分别由第一和第二传感器以及第三和第四传感器获得的绝对和增量位置信息被最终组合，并通过在相应的存储器地址处检索存储在第三存储器中的对应的预定查找值而将其转换为高精度的位置值。这个实施例特别有益，这将在​​下文变得更明显。

这里描述的任何实施例的位置编码器尤其被配置为旋转编码器。因此，可移动构件是可相对于编码器的各个传感器旋转的旋转构件，其中传感器适于捕获旋转构件的当前角度位置的相应分量并输出相应的信号。相应存储器单元的一般功能，即接收通过将信号级联在一起所形成的存储器地址并作为响应输出与所接收的存储器地址相关联的预定查找值，与针对一般位置编码器所描述的保存相同，其中当然，由相应的存储器单元保存的每个预定查找值表示角度值。

根据优选实施例，第一传感器和第二传感器是磁性传感器，并且可移动构件包括第一磁性元件，第一磁性元件具有沿着可移动构件的延伸部均匀设置的多个磁极，第一传感器和第二传感器配置成与第一磁性元件协作。可移动构件的所述延伸部特别由其几何形状限定。尤其是，所述延伸部由沿着可移动构件的相应路径限定，在可移动构件相对于传感器移动期间，所述传感器跟随所述相应路径。例如，在线性编码器的情况下，可移动构件可以具有细长形式，其长度对应于所述延伸部，而在旋转编码器的情况下，可移动构件的延伸部可以是例如圆形盘，其可以由可移动构件的圆周轮廓限定。

在位置编码器是旋转编码器的情况下，可移动构件优选地包括相对于可移动构件的旋转轴线在直径上相对的两个磁极。因此第一磁性元件可以是优选形成为圆盘的磁偶极子，其中极之间的边界沿着盘的直径延伸。

不管位置编码器的类型如何，磁性传感器可以是霍尔传感器或能够测量磁场的强度和/或优选地测量磁场的方向的任何其它传感器。如本领域技术人员将会注意到的那样，传感器的类型通常适合于至少区分不同的区域，例如，可移动构件的两个由直径划分的区域，使得绝对位置可以通过第一和第二传感器测量。因此，传感器不一定是磁性传感器，而是也可以是例如光学传感器。在这种情况下，可移动构件优选地包括光学编码区域，其中极通过不同的反射率、透射率、光强度、颜色或其他光学特性来区分。

根据另一个优选实施例，第三和第四传感器是磁性传感器，并且可移动构件包括第二磁性元件，该第二磁性元件具有沿着可移动构件的延伸部均匀且优选地交替设置的多个磁极，第三和第四传感器配置成与第二磁性元件协作。特别地，第二磁性元件可以包括至少8对和/或至多90对，优选地至少16对和/或至多72对，特别是至少32对和/或至多52对磁极，其在旋转编码器的情况下优选地围绕可移动构件的旋转轴线对称设置。这些数字不仅对于分辨率而且对于空间限制来说都是特别有利的。

第一和第二磁性元件优选地附接到可移动构件，使得第一和第二磁性元件不能相对于彼此移动。

根据另一优选实施例，位置编码器包括至少一个模数转换器，其被配置为接收第一和第二信号之一的模拟表示并输出所接收的信号的数字表示。特别地，每个传感器可以被分配给模数转换器，用于数字化传感器的模拟信号。所得到的各个模拟信号的数字表示可以容易地形成要由位置编码器的存储器单元接收的存储器地址的一部分。模数转换器可以集成到相应的传感器中，或者分开放置在传感器和数字化信号要输入的存储器单元之间。用于量化不同模拟信号的不同数（字长）可能会有所不同。例如，用于数字化第一和第二绝对信号的数模转换器的字长​​可以比数字化第一和第二增量信号的数模转换器的字长分别小8比特和12比特。

根据另一优选实施例，位置编码器包括至少一个数模转换器，其被配置为接收预定查找值中至少一个预定查找值的数字表示，并且输出所接收的查找值的模拟表示。特别地，由“最后”（关于数据流）的存储器单元（例如，第三存储器单元）输出的查找值被转换为输出到位置编码器之后的处理阶段的模拟表示。可选地或附加地，输出的数字查找值可以直接馈送到已知的处理模块，例如，SSI（同步串行接口）转换器或A/B Z转换器。

根据另一优选实施例，存储器单元中的至少一个还被配置为输出公差标志作为输出的预定查找值的一部分。公差标志优选为单个比特，用于指示输出的预定查找值是否对应于公差区域内的一组信号，特别是一对第一和第二信号。当对应于一对第一和第二信号的位置值被限制为确定性行为时，这样的公差标志是特别有利的。例如，如果第一和第二信号是指代可移动构件的相同位置（特别是相同角度）的互补的正弦和余弦信号，则信号的平方和（即信号对所描述的圆的半径）理想情况下应该是恒定的（对于归一化的值来说，等于1）。但是，由于温度漂移、电子噪声和测量误差等多种因素的影响，在实际情况下半径可能会有所不同。

可以提供公差标志以区分可接受的变化与指示例如其中一个传感器的严重误差的较大变化。例如，当与（正弦-余弦）信号对相对应的半径从期望半径偏离等于或低于某个阈值的量时，公差标志可以指示该信号对在“正常功能区”内，并且当偏差超过该阈值时，（正弦-余弦）信号对在“失常功能区”内。正常功能区和失常功能区可以分别由为零或一的公差标志表示，或者反之。优选地，所有可能的信号组对应于正常功能区或失常功能区。公差标志可以用来确保位置编码器的高可靠性。例如，当公差标志指示出错时，编码器输出的值要小心处理。根据应用的不同，编码器的输出可以被忽略，或者可以激活误差处理例程。

根据另一优选实施例，存储器单元中的至少一个还被配置为输出过渡标志作为输出的预定查找值的一部分。提供优选为单个比特的过渡标志，用于指示可移动构件的当前位置是否在过渡区域内。例如，可移动构件从可移动构件的一极过渡到另一极的位置的范围是这样的过渡区域。尤其是，在可移动构件包括磁性元件的情况下，过渡区域可被限定为包括可移动构件的至少一个位置或位置范围，其中在该位置或该位置范围中时至少一个传感器接近可移动构件的两个相邻磁极的过渡。

检测到可移动构件的当前位置在过渡区域内并且通过过渡标志指示这一位置，特别用于补偿绝对和增量位置组合编码器中位置的相对粗糙的绝对测量值的不准确或偏移。如果使用绝对测量值来确定哪个极或哪个极对正与增量传感器协作进行增量测量，由于绝对测量值的偏移或其他错误，无法在两个连续的极或极对的过渡区域内明确地确定哪个极或哪个极对正与增量传感器协作进行增量测量。因此过渡区域的（可能的角度）宽度对应于绝对测量值的假定的或确定的误差范围。当过渡标志被设定为表示可移动构件的当前位置在过渡区域内时，可以采取附加的测量来例如更可靠地确定正确的极或极对。

根据改进的实施例，存储器单元中的至少另一个存储器单元保存多个预定查找值，该另一个存储器单元的每个预定查找值表示与以下第一信号和第二信号的相应对相对应的位置值：与可移动构件的绝对位置相对应并且包括过渡标志的第一信号，以及与可移动构件的增量位置相对应的第二信号。所述另一个存储器单元尤其用在上述第三存储器单元中。进一步地，该另一个存储器单元的每个预定查找值与通过将相应对的第一和第二信号进行级联所形成的单独的存储器地址相关联，其中该另一个存储器单元被配置为接收通过将第一和第二信号进行级联所形成的存储器地址。具体地，该另一个存储器单元接收到的第一信号是由前一个存储器单元输出的预定查找值并具有所述过渡标志作为该输出的查找值的一部分。所述前一存储器单元具体是第一存储器单元。

为了补偿输出的查找值中例如由于输出存储器单元中的噪声或单一事件干扰造成的误差，优选地，对所输出的查找值中的至少一个进行低通滤波。在位置编码器中可以安排一个简单的模拟低通滤波器，例如一个电阻器和一个电容器，以对至少一个模拟信号进行滤波。但是，滤波也可以数字化执行。

优选地，位置编码器的模数转换器的相应分辨率适于确保由输出的预定查找值表示的位置值的总体误差低于预定值。特别地，模数转换器的分辨率取决于由相应的转换器输出的数字表示的字长（比特数），其中比特数越大，量化越精细，因此分辨率越高。

附图说明

下文通过附图中所示的示例性实施例来描述本发明，其中：

图1示出了用于测量旋转构件的绝对角度位置的旋转编码器的示意图；

图2示出了与公差标志相关联的正常功能和失常功能区的示意图；

图3示出了用于以高精度测量旋转构件的绝对角度位置的旋转编码器的示意图；

图4示出了利用旋转编码器估计角度位置的例子的图。

具体实施方式

图1和图3示出了被配置为旋转编码器的位置编码器11的实施例。然而，应该注意的是，这些旋转编码器11的操作原理同样适用于不同种类的位置编码器，例如适用于线性编码器。

图1示出了旋转编码器11，旋转编码器11包括由可相对于旋转轴线14旋转的第一磁盘13形成的旋转构件。旋转轴线14垂直延伸穿过绘图平面。第一磁盘13具有第一磁极15和第二磁极17，该第一磁极15和第二磁极17彼此径向相邻地并且相对于旋转轴线14对称地设置。第一霍尔传感器19a和第二霍尔传感器19b被设置在第一磁盘13的圆周，使得它们相对于旋转轴线14呈90°的角度。第一和第二霍尔传感器19a、19b用于分别捕获第一磁盘13相对于旋转轴线14的绝对角度位置的正弦和余弦分量。这些正弦和余弦分量是通过测量第一磁盘13的磁场而获得的。第一和第二霍尔传感器19a和19b分别输出模拟第一绝对信号21（正弦）和模拟第二绝对信号23（余弦）。模拟第一绝对信号21被馈送到第一模数转换器25a，模拟第二绝对信号23被馈送到第二模数转换器25b。举例来说，模数转换器25a、25b均被配置为输出对应的模拟输入21、23的数字8比特表示，即，第一转换器25a输出8比特数字第一绝对信号21'，第二转换器25b输出8比特数字第二绝对信号23'。

数字信号21'、23'被级联以形成由第一闪速存储器单元27a接收的存储器地址，其中该存储器地址优选地仅由通过顺序链接所组合的信号21'、23'组成。第一存储器单元27a保存针对可能由第一存储器单元27a接收的每个存储器地址的预定查找值29。也就是说，可以从霍尔传感器19a、19b产生并且直接形成第一存储器单元27a的存储器地址的任何一对数字信号21'、23'与预定查找值29相关联，其中该查找值29存储在第一存储器单元27a中并且在接收到相应的一对数字绝对信号21'、23'时由第一存储器单元27a输出。

第一存储器单元27a的容量根据所接收的存储器地址的字长和输出数据总线长度来调整，例如，包括至少8比特和/或至多16比特，特别是12比特，其中可选地，一个比特被预留用于误差指示（例如以如上所述的公差标志或过渡标志的形式）。考虑到8比特和存储器地址的输出数据总线长度与数字信号21'、23'的字长的总和（即本实施例中为16比特）一样长，第一存储器单元27a的容量例如至少为512k比特。通常，存储器单元的容量可以根据存储器地址的容量和字长之间的半对数关系来导出，因为存储器单元需要至少数据总线长度乘以存储器地址字长的2次方。

由第一存储器单元27a响应于在给定时刻由第一存储器单元27a以存储器地址的形式接收到的一对数字信号21'、23'而输出的给定的预定查找值29是表示与第一磁盘13的绝对角度位置相对应的角度值α的数字值。角度值α相对于参考位置限定，在该参考位置中，分隔第一磁盘13的第一和第二磁极15、17的轴线（图1中的虚线）与参考轴线31（图1中的短划线）对齐。举例来说，角度值α在图1中约为35°，但是由于磁盘13可自由旋转，所以角度值α可以是在0至360°范围内的任何角度值。

查找值29由第一存储器单元27a数字地输出，并具有优选地至少5比特和/或至多16比特的字长。查找值29的1比特可以用作公差标志（未示出）。图2示出了二次域39，其示意性地表示第一（正弦）和第二（余弦）绝对信号的所有可能的对，相应点的横坐标对应于第一绝对信号，该相应点的纵坐标对应于第二绝对信号。优选地，当从平方正弦和余弦信号21、23（对应于数字信号21'、23'）的和的平方根导出的半径在图2所示的环形公差区域内时，公差标志为0。

理想情况下，对于正弦和余弦信号21、23，该半径应该总是恒定的，并且等于1。然而，在实际情况下，会有几个影响因素，如温度漂移、电子噪声、气隙公差、传感器的非线性和测量误差，可能影响并且导致与理想的恒定半径不同的半径。公差区域33因此捕获在现实情况下可以期望的半径的范围。为了将这些可预见的变化与较大的误差指示变化区分开来，定义了失常功能区37。在图2中，该失常功能区37由域39的阴影区域表示。当相应的第一和第二信号对落入失常功能区37内，即具有公差区域33外的值时，公差标志被设置为1。因此，公差标志可以被认为是对所输出的表示角度值α的查找值进行合理性检查的结果，其中该合理性检查在“三角半径域”中被估计。要注意的是，公差标志的状态不是通过计算来确定的。相反，由于公差标志是输出的查找值29的一部分，所以公差标志是预先确定的。第一存储器单元27a的所有预定查找值包括与形成与相应的查找值相关联的存储器地址的第一和第二信号的相应对相对应的角度值的预定表示以及与同一对第一和第二值相对应的预定公差标志。

查找值29然后被输入到数模转换器41，数模转换器41将该查找值29或将至少表示角度值α的查找值29的那部分转换成模拟输出信号43。在公差标志等于1的情况下，输出信号43例如可以等于一个指示测量误差的常数。否则，输出信号43是表示角度值α的模拟值。

输出信号43可以可选地通过低通滤波器（未示出）进行低通滤波，以便补偿由于第一存储器单元27a中的单一事件干扰引起的误差，例如比特误差。

图3示出了旋转编码器11的另一个实施例的示意图，该旋转编码器11是绝对和增量组合型，因此适于以高精度测量角度位置。旋转编码器11包括由第一磁盘13和第二磁盘45形成的旋转构件，第一磁盘13和第二磁盘45都可相对于旋转轴线14旋转。磁盘13、45彼此同轴附接，并且不能相对于彼此旋转。在图3中，为了提高图的可读性，分开示出了磁盘13、45。

一对第一霍尔传感器19c、19d被设置在第一磁盘13的圆周上，并位于第一磁盘13的径向相对侧上。由该对第一霍尔传感器19c、19d输出的测量信号被输入到第一差分放大器47a，该第一差分放大器47a作为响应输出模拟第一绝对信号21。一对第二霍尔传感器19e、19f设置在第一磁盘13的圆周上，并位于第一磁盘13的与该对第一霍尔传感器19c、19d垂直的径向相对侧上。由该对第二霍尔传感器19e、19f输出的测量信号被输入到第二差分放大器47b，第二差分放大器47b作为响应输出模拟第二绝对信号23。然后分别表示第一磁盘13相对于旋转轴线14的绝对角度位置的正弦和余弦分量的模拟第一和第二绝对信号21、23被分别馈送到模数转换器25a、25b。相应地，模数转换器25a、25b分别输出数字第一和第二绝对信号21'、23'，每个数字信号21'、23'具有8比特的字长。数字信号21'、23'被级联以形成第一存储器单元27a的存储器地址。

响应于接收到该存储器地址，在该实施例中，第一存储器27a被配置为输出具有7比特字长的预定查找值49。输出的查找值49具有6比特的字长，并且包括与第一磁盘13的角度位置相对应的绝对角度值的表示。查找值49的剩余的1比特用作过渡标志，这将在下文进一步解释。

第二磁盘45包括沿着第二磁盘45的整个圆周交替设置的多个第一磁极15和第二磁极17。第二磁盘45的磁极15、17的数量高于第一磁盘13的磁极15、17的数量，例如第二磁盘45上具有至少20个和/或至多200个磁极15、17，而第一磁盘13上有2个磁极15、17。磁阻传感器19g设置在第二磁盘45的圆周上但不与其接触。磁阻传感器19g包括两个惠斯登（Wheatstone）电桥（未示出），其适于捕获相对于彼此相移90°的两个正弦信号（因此分别对应于正弦和余弦信号），两个信号表示第二磁盘45的当前最靠近传感器19g的相应极对15、17的当前位置。在这方面，磁阻传感器19g表示组合到一个单元中的两个传感器（特别是分别捕获第二磁盘45的角度位置的正弦和余弦分量的第一传感器和第二传感器）。因此，磁阻传感器19g也可以由两个单独的传感器代替。传感器19g的测量信号被馈送到第三和第四放大器47c和47d。第三放大器47c输出模拟第一增量信号51，第四放大器47d输出模拟第二增量信号53。

模拟第一增量信号51被馈送到第三模数转换器25c，并且模拟第二增量信号53被馈送到第四模数转换器25d。举例来说，第三和第四模数转换器25c、25d都被配置为输出对应的模拟输入51、53的数字12比特表示，即第三转换器25c输出12比特的数字第一增量信号51'，第四转换器25d输出12比特的数字第二增量信号53'。特别地，模数转换器25a、25b、25c、25d的分辨率被选择为使得测量旋转编码器11的旋转构件的角度位置的总体测量误差至少低于0.05°，优选低于0.02°，特别是低于0.01°。

数字信号51'、53'被级联以形成由第二闪存单元27b接收的存储器地址。第二存储器单元27b为第二存储器单元27b可能接收的每个存储器地址保存预定查找值55。也就是说，可以从传感器19g产生并且形成用于第二存储器单元27b的存储器地址的任何一对数字信号51'、53'与存储在第二存储器单元27b中的、并在接收到相应的一对数字增量信号51'、53'时由第二存储器单元27b输出的预定查找值55相关联。

对于给定的一对数字增量信号51'、53'，第二存储器单元27b响应于由数字信号51'、53'形成的存储器地址输出预定查找值55。举例来说，查找值55具有15比特的字长，并且包括与第二磁盘45的极对15、17的位置相对应的增量角度值的表示。在本示例性实施例中，第二存储器单元27b具有16比特的数据总线长度和256M比特的容量。

由第一和第二存储器单元27a、27b输出并且分别具有7和15比特字长的预定查找值49、55形成具有64M比特容量的第三闪存单元27c的存储器地址。第三存储器单元27c为第三存储器单元27c可能接收到的每个存储器地址保存预定查找值57。也就是说，形成第三存储器单元27c的存储器地址的任何一对预定查找值49、55与存储在存储器单元27c中并由第三存储器单元27c在接收到由第一和第二存储器单元27a、27b分别输出的相应一对查找值49、55时输出的预定查找值57相关联。在图3所示的实施例中，存储器单元27c的存储器地址由包括绝对角度值和过渡标志（作为查找值49的部分）的表示和增量角度值的表示（作为查找值55的一部分）的三元组构成。三元组的这些部分在该存储器地址内的顺序可以根据任何可能的顺序来选择，只要第三存储器单元27c被相应地配置即可。

过渡标志通常用于指示旋转构件的当前角度位置是否在两个相邻磁极15、17的过渡区域内。在图3所示的实施例中，过渡标志指示旋转构件的当前角度位置是否在第二磁盘45的两个相邻磁极15、17的过渡区域内。尤其是，相应的过渡区域由传感器19g靠近从第二磁盘45的一对第一和第二磁极15和17到第二磁盘45的相邻的一对第一和第二磁极15和17的过渡的角度位置所限定。过渡区域可以进一步定义为以相应的过渡为中心的小角度扇形，例如1到10°。将参照图4描述过渡标志的目的。

由第三存储器单元27c输出的预定查找值57具有例如16比特的字长并且包括与旋转编码器11的旋转构件的角度位置相对应的高精度数字角度值的表示。输出的查找值57还可以包括一个公差标志，其中高精度数字角度值的表示例如具有15比特的字长，而其余的1比特用作公差标志。在这种情况下，公差标志可以对应于由第三存储器单元27c作为存储器地址的一部分接收的、并简单通过第三存储器单元27c的公差标志。或者，公差标志可以源自第三存储器单元27c并且以进入第三存储器单元27c的信号的合理性为基础。

根据具体的应用，查找值57可以进一步处理，例如，借助于数模转换器59、同步串行接口（SSI）转换器61和A/B Z转换器63，分别产生输出信号57'、57''和57'''。

图4示出了由第三存储器单元27c接收的相应的存储器地址与由其导出的预定查找值57之间的对应关系，其中由第三存储器单元27c接收的相应的存储器地址包括绝对角度位置的表示、增量角度位置的表示和过渡标志。轴线65（“x轴”）与图3所示的旋转编码器11的旋转构件的角度位置相关联。仅示出了旋转构件的整个角度位置范围的一小部分。轴线67（“y轴”）与旋转编码器11在旋转构件旋转期间产生的数据相关联，如下文将要解释的。

从上到下，所示的数据是：由第一存储器单元27a输出的绝对角度值69的数字表示（从011101到011111）作为相应的查找值49的一部分；第二磁盘45的连续物理极对15、17的序列号70（从12到14）；过渡标志7，其在从一个极对15、17到另一个极对15、17的过渡周围的过渡区域72内为单个比特1，否则为0，过渡标志71由第一存储器单元27a作为相应的查找值49的一部分输出；由第一存储器单元27a输出的查找值49（从0111010到0111111），其包括绝对角度值69的相应数字表示，随后是过渡标志71；以及对于每个极对15、17从0开始并且线性增加到32767的增量角度值73的表示。最后提及的这些表示73（转换成数字形式）形成由第二存储器单元27b输出的查找值55。

因此，由第一存储器单元27a输出的查找值49和由第二存储器单元27b输出的查找值55包括关于旋转编码器11的旋转构件的角度位置的所有信息并且被级联接收到第三存储器单元27c的存储器地址，第三存储器单元27c作为响应输出与该地址相关联的预定查找值57。存储在第三存储器单元27c中的预定查找值57是在存储之前计算的，如下文所解释的那样考虑了相应的绝对角度值69、相应的增量角度值73和过渡标志71。

组合绝对角度值69和增量角度值73的基本概念是使用绝对角度值69来识别当前由磁性传感器19g捕获的物理极对70，从而确定旋转构件的当前角度位置落入的角度范围。然后可使用增量角度值73来确定旋转构件在该角度范围内的精确角度位置。

但是，绝对角度值69经受一些测量误差或偏移，尤其是因为第一磁盘13仅具有两个磁极15、17。因此，尽管在两个连续极对15之间的过渡周围的过渡区域72之外可以容易地使用增量角度值73，但是在过渡区域72内存在无法确定哪一个极对15、17是由磁性传感器19g实际捕获的不确定性。因此，如果设置了过渡标志71，则通过附加检查来识别正确的极对70：如果增量角度值73处于高范围（从24576到32767，参见水平虚线），则两个可能的极对70中的前一个是正确的，如果增量角度值73处于低范围（从0到8192，参见水平虚线），则两个可能的极对70中的后一个是正确的。在该检查之后，可以以正常的方式将测量的增量角度值73应用于与右极对70相对应的角度范围，以高精度地确定表示旋转编码器11的旋转构件的角度位置的角度值。

描述了上述第三存储器单元27c最终输出的角度值的上述估计以便于理解图3的旋转编码器11。然而，上述估计不是在每次测量期间在线进行的。相反，第三存储器单元27c优选地被配置为使得其接收绝对角度值和增量角度值以及过渡标志作为组合的存储器地址，并输出最终角度值（即，查找值57），而无需除了在相应的地址处读取第三存储器单元27c之外的任何进一步的处理步骤。也就是说，在已经确定了第三存储器单元27c的输入-输出特性的预计算阶段期间，已经考虑了所有的处理步骤。因此，旋转编码器11特别可靠且快速，因为通过连续读取预定查找值57能够简单估计最终角度值。

参考标记

11 旋转编码器

13 第一磁盘

14 旋转轴线

15 第一磁极

17 第二磁极

19 磁传感器

21 模拟第一绝对信号

21' 数字第一绝对信号

23 模拟第二绝对信号

23' 数字第二绝对信号

25 模数转换器

27 闪存单元

29 查找值

31 参考轴线

33 公差区域

37 失常功能区

39 二次域

40 外圈

41 数模转换器

43 输出信号

45 第二磁盘

47 差分放大器

49 查找值

51 模拟第一增量信号

51' 数字第一增量​​信号

53 模拟第二增量信号

53' 数字第二增量信号

55 查找值

57 查找值

59 数模转换器

61 SSI转换器

63 A/B Z转换器

65 x轴

67 y轴

69 绝对角度值的数字表示

70 物理极号

71 过渡比特

72 过渡区域

73 增量角度值的表示

α 角度值

Claims (15)

1.一种位置编码器（11），包括：

可移动构件（13，45），以及

至少第一传感器（19a，19c，19d）和第二传感器（19b，19e，19f），所述可移动构件（13，45）能够相对于所述第一和第二传感器（19a，19b，19c，19d，19e，19f）移动，

所述第一传感器（19a，19c，19d）适于捕获所述可移动构件（13，45）的当前位置的第一分量并输出与所述第一分量相对应的第一信号（21），

所述第二传感器（19b，19e，19f）适于捕获所述当前位置的与所述第一分量互补的第二分量并且输出与所述第二分量相对应的第二信号（23），

其中所述位置编码器（11）还包括：

保存多个预定查找值（29，49）的至少第一存储器单元（27a），

每个预定查找值（29，49）表示与至少第一和第二信号（21，23）的相应组相对应的位置值，并且与通过将该相应组的信号（21，23）进行级联所形成的单独的存储器地址相关联，

所述第一存储器单元（27a）被配置为接收通过将由所述第一和第二传感器（19a，19b，19c，19d，19e，19f）输出的至少所述第一和第二信号（21，23）进行级联所形成的存储器地址，并作为响应输出与所接收的存储器地址相关联的预定查找值（29，49）。

2.根据权利要求1所述的位置编码器（11），其中所述位置编码器（11）还包括：

至少第三和第四传感器（19g），

所述可移动构件（13，45）相对于所述第一，第二，第三和第四传感器（19c，19d，19e，19f，19g）是可移动的，

所述第一传感器（19c，19d）适于捕获所述可移动构件（13，45）的当前绝对位置的第一分量并且输出与所述当前绝对位置的所述第一分量相对应的第一绝对信号（21），

所述第二传感器（19e，19f）适于捕获与所述当前绝对位置的所述第一分量互补的所述当前绝对位置的第二分量并且输出与所述当前绝对位置的所述第二分量相对应的第二绝对信号（23），

所述第三传感器（19g）适于捕获所述可移动构件的当前增量位置的第一分量并输出与所述当前增量位置的所述第一分量相对应的第一增量信号（51），

所述第四传感器（19g）适于捕获与所述当前增量位置的所述第一分量互补的所述当前增量位置的第二分量并输出与所述当前增量位置的所述第二分量相对应的第二增量信号（53），

其中，所述第一存储器单元（27a）被配置为接收由以下中的至少一个形成的存储器地址：

将分别由第一和第二传感器（19c，19d，19e，19f）输出的第一和第二绝对信号（21，23）进行级联，并且

将分别由所述第三和第四传感器（19g）输出的第一和第二增量信号（51，53）进行级联。

3.根据权利要求2所述的位置编码器（11），

其中所述第一存储器单元（27a）的每个预定查找值（49）表示与所述第一，第二，第三和第四信号（21，23，51，53）的相应组相对应的位置值，并且与通过将相应组的第一，第二，第三和第四信号（21，23，51，53）进行级联所形成的单独的存储器地址相关联，

所述第一存储器单元（27a）被配置为接收通过将分别由所述第一，第二，第三和第四传感器（19c，19d，19e，19f，19g）输出的第一，第二，第三和第四信号（21，23，51，53）进行级联所形成的存储器地址，并作为响应输出与所接收的存储器地址相关联的预定查找值（49，55）。

4.根据权利要求2所述的位置编码器（11），

其中所述第一存储器单元（27a）的每个预定查找值（49）表示与所述第一和第二绝对信号（21，23）的相应对相对应的位置值并且与通过将所述相应对的第一和第二绝对信号（21，23）进行级联所形成的单独的存储器地址相关联，

其中，所述第一存储器单元（27a）被配置为接收通过将分别由所述第一和第二传感器（19c，19d，19e，19f）输出的所述第一和第二绝对信号（21，23）进行级联所形成的存储器地址，

其中所述位置编码器（11）还包括：

保存有多个预定查找值（55）的至少一个第二存储器单元（27b），

每个预定查找值（55）表示与第一和第二增量信号（51，53）的相应对相对应的位置值，并且与通过将所述相应对的第一和第二增量信号（51，53）进行级联所形成的单独的存储器地址相关联，

第二存储器单元（27b）被配置为接收通过将分别由所述第三和第四传感器（19g）输出的第一和第二增量信号（51，53）进行级联所形成的存储器地址，并且作为响应输出与所接收的存储器地址相关联的预定查找值（55）。

5.根据权利要求2所述的位置编码器（11），其中所述位置编码器（11）还包括：

保存多个预定查找值（57）的至少一个第二存储器单元（27c），

每个预定查找值（57）表示与由所述第一存储器单元（27a，27b）输出的预定查找值（49，55）和不形成由所述第一存储器单元（27a，27b）接收的存储器地址的第一和第二信号（21，23，51，53）的相应三元组相对应的位置值，

每个预定查找值（57）进一步与通过将所述相应三元组的所述预定查找值（49，55）和所述第一和第二信号（21，23，51，53）进行级联所形成的单独的存储器地址相关联，

所述第二存储器单元（27c）被配置为接收通过将由所述第一存储器单元（27a，27b）输出的预定查找值（49，55）与不形成由所述第一存储器单元（27a，27b）接收的存储器地址的第一和第二信号（21，23，51，53）进行级联所形成的存储器地址，并作为响应输出与所接收的存储器地址相关联的预定查找值（57）。

6.根据权利要求4所述的位置编码器（11），其中所述位置编码器（11）还包括：

保存多个预定查找值（57）的至少一个第三存储器单元（27c），

每个预定查找值（57）表示与由所述第一存储器单元（27a）输出的所述预定查找值（49）和由所述第二存储器单元（27b）输出的所述预定查找值（55）的相应对相对应的位置值，并且与通过将所述相应对的由所述第一存储器单元（27a）输出的所述预定查找值（49）和由所述第二存储器单元（27b）输出的所述预定查找值（55）进行级联所形成的单独的存储器地址相关联，

所述第三存储器单元（27c）被配置为接收通过将由所述第一存储器单元（27a）输出的预定查找值（49）和由所述第二存储器单元（27b）输出的预定查找值（55）进行级联所形成的存储器地址，并作为响应输出与所接收的存储器地址相关联的预定查找值（57）。

7.根据前述权利要求中任一项所述的位置编码器（11），所述位置编码器（11）被配置为旋转编码器（11），

其中，所述可移动构件（13，45）是能够相对于各个传感器（19a，19b，19c，19d，19e，19f，19g）旋转的旋转构件（13，45），所述各个传感器适于捕获所述旋转构件（13，45）的当前角度位置的各个分量，

并且其中，由相应存储器单元（27a，27b，27c）保存的每个预定查找值表示角度值。

8.根据前述权利要求中任一项所述的位置编码器（11），

其中所述第一和第二传感器（19a，19b，19c，19d，19e，19f）是磁性传感器，并且所述可移动构件（13，45）包括第一磁性元件（13），所述第一磁性元件（13）具有沿着所述可移动构件（13，45）的延伸部均匀设置的多个磁极（15，17），特别是相对于所述可移动构件（13，45）的中心在直径上相对的两个磁极（15，17），

所述第一和第二传感器（19a，19b，19c，19d，19e，19f）被配置为与所述第一磁性元件（13）协作。

9.根据权利要求2或权利要求2与权利要求3至8中任一项的组合所述的位置编码器（11），

其中所述第三和第四传感器（19g）是磁性传感器，并且所述可移动构件（13，45）包括第二磁性元件（45），所述第二磁性元件（45）具有沿所述可移动构件（13，45）的延伸部均匀设置的多个磁极（15，17），尤其是沿着所述可移动构件（13，45）的延伸部交替设置的至少8个和/或至多90个，优选地至少16个和/或至多72个，进一步优选地至少32个和/或至多52个磁极（15，17），

所述第三和第四传感器（19g）被配置为与所述第二磁性元件（45）协作。

10.根据前述权利要求中任一项所述的位置编码器（11），

其中，所述位置编码器（11）包括至少一个模数转换器（25a，25b，25c，25d），其被配置为接收所述第一和第二信号（21，23，49，51，53，55）中的一个的模拟表示，并输出所接收的信号（21，23，49，51，53，55）的数字表示（21'，23'，51'，53'），和/或

其中，所述位置编码器（11）包括至少一个数模转换器（41，59），其被配置为接收所述预定查找值（29，49，55，57）中的一个的数字表示，并输出接收到的查找值（29，49，55，57）的模拟表示。

11.根据前述权利要求中任一项所述的位置编码器（11），

其中，所述存储器单元（27a，27b，27c）中的至少一个还被配置为输出公差标志作为所输出的预定查找值（29，49，55，57）的一部分，其中所述公差标志用于指示所输出的预定查找值（29，49，55，57）是否对应于公差范围（33）内的一组信号，特别是对应于一对第一和第二信号（21，23，49，51，53，55）。

12.根据前述权利要求中任一项所述的位置编码器（11），

其中，所述存储器单元（27a，27b，27c）中的至少一个还被配置为输出过渡标志（71）作为所输出的预定查找值（29，49，55，57）的一部分，其中所述过渡标志（71）用于指示所述可移动构件（13，45）的当前位置是否在过渡区域（72）内。

13.根据权利要求12所述的位置编码器（11），

其中，所述过渡区域（72）包括至少一个位置，在所述至少一个位置中，所述传感器（19a，19b，19c，19d，19e，19f，19g）中的至少一个接近所述可移动构件的两个相邻磁极（15，17）的过渡，所述两个相邻磁极（15，17）沿着所述可移动构件（13，45）的延伸部设置。

14.根据权利要求12或13所述的位置编码器（11），

其中，所述存储器单元（27a，27b，27c）中的至少另一个存储器单元保存多个预定查找值（57），

所述另一个存储器单元（27c）的每个预定查找值（57）表示与以下第一信号（49）和第二信号（55）的相应对相对应的位置值：

与所述可移动构件的绝对位置相对应并且包括过渡标志（71）的第一信号（49）；以及

与所述可移动构件的增量位置相对应的第二信号（55），

并且所述每个预定查找值（57）与通过将所述相应对的第一和第二信号（49，55）进行级联所形成的单独的存储器地址相关联，

所述另一个存储器单元（27c）被配置为接收通过将第一和第二信号（49，55）进行级联所形成的存储器地址。

15.根据前述权利要求中任一项所述的位置编码器（11），

其中，所输出的查找值（29，49，55，57）中的至少一个被低通滤波，

和/或

其中，所述位置编码器（11）的模数转换器（25a，25b，25c，25d）的相应分辨率适于确保由所输出的预定查找值（29，49，55，57）表示的位置值的整体误差低于预定值。