CN110869709B - 用以确定电机的可旋转轴的位置的方法及设备 - Google Patents

用以确定电机的可旋转轴的位置的方法及设备 Download PDF

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Abstract

本发明揭示用以确定电机的可旋转轴的位置的方法及设备(100)。一种用以确定电机的可旋转轴的位置的实例性设备包含：传感器印刷电路板PCB(140)，其经结构化以安装到电机(110)，所述传感器PCB(140)包含多个电容式传感器(144A到144H)，所述多个电容式传感器(144A到144H)具有在所述电机(110)的操作期间随着导体(152)连同所述电机(110)的可旋转轴一起相对于所述传感器PCB(140)移动而独立地改变的多个电容中的相应电容；及控制器(180)，其电耦合到所述传感器PCB(140)，所述控制器(180)经配置以基于所述多个电容而确定所述可旋转轴的位置。

Description

用以确定电机的可旋转轴的位置的方法及设备
技术领域
本发明一般来说涉及电机，且更明确地说，涉及用以确定电机的可旋转轴的位置的方法及设备。
背景技术
电机(举例来说)以旋转轴的形成将所供应能量(例如，电、水、天然气、丙烷、汽油、柴油等)转化为机械能。
附图说明
图1是根据本发明的具有电机位置感测组合件的实例性电机组合件的框图。
图2是图1的实例性电机组合件的透视性部分分解图。
图3是根据本发明的图1及2的实例性传感器印刷电路板(PCB)的实例性部分的俯视图。
图4是根据本发明的图1及2的实例性PCB组合件的实例性部分的侧视图。
图5是根据本发明的图1及2的实例性电机的端视图，其图解说明图1及2的实例性电机的实例性操作。
图6是根据本发明的图解说明针对图1及2的电机的实例性位置的图5的实例性传感器区域的实例性电容的曲线图。
图7是根据本发明的可用于实施图1的实例性感测电路的实例性振荡器电路的示意图。
图8是根据本发明的实例性传感器PCB的示意图。
图9是根据本发明的可与图8的实例性传感器PCB一起使用的实例性导体PCB的示意图。
图10是可用于使用图8的实例性传感器PCB及图9的实例性导体PCB来确定电机的位置的实例性表格。
图11是根据本发明的可与图8的实例性传感器PCB一起使用的另一实例性导体PCB的示意图。
图12是根据本发明的另一实例性传感器PCB的示意图。
图13是根据本发明的可与图12的实例性传感器PCB一起使用的实例性导体PCB的示意图。
图14是根据本发明的又一实例性传感器PCB的示意图。
图15是根据本发明的可与图14的实例性传感器PCB一起使用的实例性导体PCB的示意图。
图16到18是可用于检测故障状况的实例性计数的实例性曲线图。
图19是根据本发明的可用于实施图1的实例性感测电路的另一实例性电路的示意图。
图20是根据本发明的可用于实施图1的实例性感测电路的又一实例性电路的示意图。
图21是表示可实施为机器可读指令的实例性过程的流程图，所述机器可读指令可经执行以实施用以确定电机的可旋转轴的位置的实例性电机位置感测组合件。
图22图解说明经结构化以执行图21的实例性指令以实施本文中所揭示的实例性电机位置感测组合件的实例性处理器系统。
发明内容
揭示用以确定电机的可旋转轴的位置的实例性方法及设备。一种用以确定电机的可旋转轴的位置的实例性设备包含：传感器PCB，其经结构化以安装到电机，所述传感器PCB包含多个电容式传感器，所述多个电容式传感器具有在所述电机的操作期间随着导体连同所述电机的可旋转轴一起相对于所述传感器PCB移动而独立地改变的多个电容中的相应电容；及控制器，其电耦合到所述传感器PCB，所述控制器经配置以基于所述多个电容而确定所述可旋转轴的位置。
具体实施方式
在电机的一些实例性使用中，快速且准确地确定转子位置及/或角度是有益的。举例来说，在电机启动期间在小角度范围内反复地来回摆动永磁同步电机(PMSM)的转子可为有益的。在此些例子中，能够确定或估计转子磁极位置是有益的。知晓转子位置对于检测故障状况也可为有益的，所述故障状况例如转子停转(例如，电机不再旋转)、转子不平衡或摇摆(例如，在转子的质心或惯性轴与旋转中心、转动轴或几何轴不对准时)。常规解决方案使用增量编码器或霍尔效应传感器。然而，一些常规解决方案易于使其性能或特性随时间而降级。举例来说，一些霍尔效应传感器可随时间变得不太准确。除了这些及其它益处之外，所揭示实例还使用比常规解决方案少的传感器输入。举例来说，使用仅12个传感器输入在54个角位置之间进行确定。
现在将详细参考本发明的非限制性实例，所述非限制性实例图解说明于附图中。下文参考图式描述所述实例，其中相似参考编号是指相似元件。当展示相似参考编号时，不再重复对应说明，且感兴趣的读者可就相似元件的说明而参考先前所论述各图。
图1是根据本发明的具有实例性电机110及实例性电机位置感测组合件120的实例性电机组合件100的框图。如图2的部分分解透视图中所展示，实例性电机110具有可用于(举例来说)执行目的性工作的实例性可旋转轴112。
为感测电机位置(例如，可旋转轴112的角位置)，实例性电机位置感测组合件120包含具有实例性传感器PCB 140及实例性导体PCB 150的实例性印刷电路板(PCB)组合件130。在一些实例中，传感器PCB 140包含可旋转轴112通过的开口142(例如，圆形)，从而允许传感器PCB 140相对于可旋转轴112的旋转保持静止。在一些实例中，导体PCB 150固定地附接到可旋转轴112，从而相对于传感器PCB 140与可旋转轴112一起旋转。
在图1及2的所图解说明实例中，实例性传感器PCB 140包含布置成环形的多个电容式传感器144A到144H，其中电容式传感器144A到144H与可旋转轴112的不同角位置相关联。实例性电容式传感器144A到144H中的相应者的电容148A到148H响应于其与导体PCB150的实例性导体152(例如，铜垫)接近度(例如，重叠)而改变。图8、12及14中展示其它实例性传感器PCB。图9、11、13及15中展示其它实例性导体PCB。虽然本文中揭示实例性传感器PCB及实例性导体PCB，但所属领域的技术人员鉴于本发明将迅速了解，电容式传感器及导体可定位成其它布置以确定电机的可旋转轴的位置。
转到图3及4，展示可用于实施图1及2的实例性电机位置感测组合件120的实例性电容式传感器304及实例性导体410。图3是图1及2的实例性传感器PCB 140的实例性部分300的俯视图。图4是图1及2的实例性PCB组合件130的对应于图3的实例性部分300的实例性部分400的侧视横截面图。在图3及4中，实例性电容式传感器304形成为实例性基于PCB的电容器306，实例性基于PCB的电容器306包含形成于实例性PCB衬底325上的实例性导电区域310及实例性接地区域320。实例性接地区域320与实例性导电区域310间隔开(例如，不物理接触、不电接触等)以在基于PCB的电容器306周围(例如，其上方、环绕其、包含其等)的区中形成实例性电场330。在图3及4的实例中，接地区域320环绕楔形导电区域310，然而，可使用具有其它几何及非几何布置(例如，圆形、矩形等)的基于PCB的电容器。在图3及4的实例中，实施自电容。然而，可实施其它形式的电容，例如互电容。在一些实例中，接地区域320实施为传感器PCB 140的中心区域中的共同接地区域，且导体向内延伸以与传感器PCB 140上的共同接地区域重叠。
随着实例性导体410(例如，铜垫)移动，导体410可移动到电场330中、移动穿过电场330及移动出电场330。当导体410至少部分地位于上方电场330中的电容式传感器304上方或附近时，导体410会干扰电场330，借此将基于PCB的电容器306的电容增大到超过基于PCB的电容器306的基线电容。通过监测基于PCB的电容器306的电容，可检测导体410与电容式传感器304的接近度，且可确定(例如，估计、计算等)重叠量(例如，25％、50％、75％、100％等)。在一些实例中，最大电容发生在导体410与电容式传感器304对准(例如，完全重叠、尽可能多地重叠等)时。
返回图1及2，确定(例如，测量、估计、表示等)哪一/哪些电容式传感器144A到144H在给定时间具有最大相应电容148A到148H可用于确定(例如，解码、估计等)导体152的角位置及因此电机110的可旋转轴112的角位置。
转到图5，展示图1及2的实例性电机组合件100的端视图。随着电机110的可旋转轴112旋转，导体传感器PCB 150的导体152依序旋转成与电容式传感器144A到144H重叠及不与电容式传感器144A到144H重叠。在图5中，导体152部分地重叠电容式传感器144B及电容式传感器144C。
图6是针对电容式传感器144A到144H中的相应者的实例性电容148A到148H的实例性曲线图600。实例性曲线图600对应于图5中所展示的导体152及电容式传感器144A到144H的实例性位置。如上文结合图3及4所阐释，电容式传感器144A到144H的电容148A到148H取决于其与导体的接近度。由于在图5中，导体152与电容式传感器144B及电容式传感器144C重叠，因此电容式传感器144B及电容式传感器144C具有比其它电容式传感器144A及144D到144H大的相应电容148B及148C。此外，由于导体152与电容式传感器144B重叠的比电容式传感器144C多，因此电容148B大于电容148C。如果导体152在图5中不同地定位，那么电容148A到148H将具有对应改变以反映电容式传感器144A到144H中的哪些现在与导体152重叠。在图5及6的实例中，电容148B为电容148C的大约三倍，从而指示导体152与电容式传感器144B重叠大约75％且与电容式传感器144C重叠大约25％。
返回图1，为测量电容148A到148H，实例性电机位置感测组合件120包含用于实例性电容式传感器144A到144H中的相应者的实例性感测电路160A到160H及实例性计数寄存器170A到170H。实例性感测电路包含但不限于电荷转移电路、张弛振荡器电路、Σ-Δ调制器电路、逐次逼近电路等。图7、19及20分别是可用于实施图1的实例性感测电路160A到160H的非限制性实例性电路700、1900及2000的示意图。图7是实例性振荡器电路700及用于电容式传感器704的实例性计数寄存器730的示意图，其可用于实施实例性感测电路160A到160H及实例性计数寄存器170A到170H。当将控制输入706设定为逻辑高(例如，等于供应电压Vcc)时，实例性电阻器梯形网络710产生用于实例性比较器714的实例性参考输入712，实例性参考输入712随比较器714的实例性输出716而改变。实例性参考输入712双态切换且具有与电容式传感器704的充电及放电相反的极性。在图7的实例中，如果电阻器梯形网络710的电阻器R具有大约相等电阻，那么比较器714的输出716的振荡频率fosc可在数学上表达为
fosc＝1/(1.386Rc CSENSOR)，
其中CSENSOR是电容式传感器704的电容718，其响应于例如实例性导体152或实例性导体410等导体的接近度而变化。如上文结合图3到7所论述，当导体干扰电容式传感器304的电场330时，电容式传感器304的电容718增大，且因此，比较器714的输出716的振荡频率fosc增大。即，振荡频率fosc可用作电容式传感器304的电容718的度量。
为确定(例如，估计、测量等)比较器714的输出信号716的振荡频率fosc，实例性振荡器电路700包含实例性计数器720及实例性计数寄存器730。实例性计数器720通过(举例来说)对输出716的上升或下降边缘进行计数而对输出信号716的振荡或循环进行计数。以周期性间隔，将当前振荡计数存储于实例性计数寄存器730中以供后续检索，且使计数器720复位。计数寄存器730中所存储的振荡计数越大，输出716的振荡频率fosc越高，且电容式传感器704的电容718越大，此指示导体对电容式传感器704的干扰越大。因此，计数寄存器730、170A到170H中针对振荡电路700、160A到160H中的相应者所存储的振荡计数可用于确定哪些电容式传感器704、144A到144H(最)紧密接近导体，且因此，确定电机110的可旋转轴112的角位置。
返回图1，为确定可旋转轴112的位置，图1的实例性电机组合件100包含实例性控制器180，例如图22中所展示及下文所论述的实例性控制器。如下文所论述，图1的实例性控制器180周期性地及/或不定期地获得计数寄存器170A到170H中所存储的振荡计数，且使用振荡计数来确定可旋转轴112的角位置。在一些实例中，控制器180部分地基于使用电容式传感器144A到144H所确定的电机位置而控制电机110。
在一些实例中，传感器PCB 140包含实例性电容式传感器144A到144H、实例性感测电路160A到160H、实例性计数寄存器170A到170H及实例性控制器180。在一些实例中，感测电路160A到160H(例如，比较器714及计数器720)、计数寄存器170A到170H及控制器180中的每一者的一部分由集成电路(IC)190实施。实例性IC 190包含但不限于德州仪器公司(Texas Instruments Incorporated)的具有CapTIvateTM技术的MSP430微控制器、赛普拉斯半导体公司(Cypress Semiconductor Corp.)的
Figure GDA0002268167550000061
控制器及微芯科技公司(Microchip Technology Inc.)的
Figure GDA0002268167550000062
触摸屏控制器。
虽然图1到7中展示了实例性电机位置感测组合件120、实例性PCB组合件130、实例性传感器PCB 140、实例性电容式传感器144A到144H、实例性导体PCB 150、实例性导体152、实例性感测电路160A到160H、实例性计数寄存器170A到170H、实例性控制器180、实例性集成电路190、实例性电容式传感器304、实例性基于PCB的电容器306、实例性导电区域310、实例性接地区域320、实例性衬底325、导体410、电容式传感器704、电阻器梯710、比较器714、计数器720及计数寄存器730的实例性实施方案，但图1到7中所图解说明的元件、过程及/或装置中的一或多者可以任何其它方式进行组合、划分、重新布置、省略、消除及/或实施。此外，图1到7的实例性电机位置感测组合件120、实例性PCB组合件130、实例性传感器PCB140、实例性电容式传感器144A到144H、实例性导体PCB 150、实例性导体152、实例性感测电路160A到160H、实例性计数寄存器170A到170H、实例性控制器180、实例性集成电路190、实例性电容式传感器304、实例性基于PCB的电容器306、实例性导电区域310、实例性接地区域320、实例性衬底325、导体410、电容式传感器704、电阻器梯710、比较器714、计数器720及计数寄存器730可通过硬件、软件、固件及/或硬件、软件及/或固件的任何组合而实施。因此，举例来说，实例性电机位置感测组合件120、实例性PCB组合件130、实例性传感器PCB 140、实例性电容式传感器144A到144H、实例性导体PCB 150、实例性导体152、实例性感测电路160A到160H、实例性计数寄存器170A到170H、实例性控制器180、实例性集成电路190、实例性电容式传感器304、实例性基于PCB的电容器306、实例性导电区域310、实例性接地区域320、实例性衬底325、导体410、电容式传感器704、电阻器梯710、比较器714、计数器720及计数寄存器730中的任一者可通过一或多个模拟或数字电路、逻辑电路、可编程处理器、图形处理单元(GPU)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑装置(PLD)及/或现场可编程逻辑装置(FPLD)而实施。在阅读本专利的设备或系统权利要求书中的任一者涵盖纯软件及/或固件实施方案时，实例性电机位置感测组合件120、实例性PCB组合件130、实例性传感器PCB 140、实例性电容式传感器144A到144H、实例性导体PCB 150、实例性导体152、实例性感测电路160A到160H、实例性计数寄存器170A到170H、实例性控制器180、实例性集成电路190、实例性电容式传感器304、实例性基于PCB的电容器306、实例性导电区域310、实例性接地区域320、实例性衬底325、导体410、电容式传感器704、电阻器梯710、比较器714、计数器720及计数寄存器730中的至少一者特此明确地定义为包含存储软件及/或固件的有形计算机可读存储媒体。仍进一步，图1到7的实例性电机位置感测组合件120、实例性PCB组合件130、实例性传感器PCB 140、实例性电容式传感器144A到144H、实例性导体PCB150、实例性导体152、实例性感测电路160A到160H、实例性计数寄存器170A到170H、实例性控制器180、实例性集成电路190、实例性电容式传感器304、实例性基于PCB的电容器306、实例性导电区域310、实例性接地区域320、实例性衬底325、导体410、电容式传感器704、电阻器梯710、比较器714、计数器720及计数寄存器730可包含除图1到7中所图解说明的元件、过程及/或装置之外的或代替图1到7中所图解说明的元件、过程及/或装置的一或多个元件、过程及/或装置，及/或可包含所图解说明元件、过程及装置中的任一者或全部中的一者以上。
转到图8，展示根据本发明的可与图9中所展示的实例性导体PCB 900一起用来确定电机的可旋转轴的角位置的另一实例性传感器PCB 800的示意图。图8的实例性传感器PCB 800包含54个电容式感测区域，所述电容式感测区域中的一者以参考编号804指定。在图8的实例中，电容式感测区域804是径向延伸的楔形区域。54个电容式感测区域804被指派到12个群组，在图8中标示为1、2、...、9、A、B、C。指派到同一群组的电容式感测区域804是电耦合的(例如，通过电耦合其导电区域310而并联耦合)。实例性群组1、2、...、9、A、B、C中的每一者连接到相应感测电路(例如，图7的实例性振荡器电路700)及位于传感器PCB 800的中心区域812中的IC 808(例如，图1的实例性IC 190)。
如下文将阐释，电容式感测区域804是根据实例性模式(见图10)而指派到群组1、2、...、9、A、B、C，所述实例性模式允许与图9的实例性导体PCB 900一起使用时将54个旋转位置清楚地解码，同时需要12个而非54个感测电路、IC输入引脚及计数器。
图9的实例性导体PCB 900包含间隔120度的两个导体904及908。图9的实例性导体904及908具有对应于图8的电容式感测区域804的形状。
在操作中，实例性导体PCB 900相对于实例性传感器PCB 800而旋转。当导体904及导体908与电容式感测区域804中的相应者重叠时，群组1、2、...、9、A、B、C中的两个不同群组将因其相应导体904、908的接近而使其电容增大。如上文所论述，电容增大会致使针对群组的振荡计数增大。因此，具有最大振荡计数的两个群组表示导体904及导体908的相应位置。
图10是可用于确定可旋转轴的角位置从而知晓哪两个感测群组具有最大振荡计数的实例性表格1000。举例来说，在知晓群组3及A具有最大振荡计数的情况下，识别表格1000的行1010，且从实例性行1010获得73度的角位置。
在一些实例中，通过使导体PCB 900旋转通过每一角位置且针对每一角位置而记录传感器PCB 800上的哪些群组与导体904及908重叠来确定表格1000。
在一些实例中，表格1000经内插以获得更精细角分辨率。举例来说，如果群组3、4、8及A具有最大振荡计数，且具有大约相等振荡计数，那么可识别行1010及行1012，且使用大约为73度(行1010)与80度(行1012)之间的一半的76.5度角作为可旋转轴112的角位置。
在图11中所展示的另一实例性导体PCB 1100中，将额外导体1104及1108添加到图9的实例性导体PCB 900。在图11的实例中，额外导体1104及1108可用于提供额外解码冗余。额外冗余可用于使用(举例来说)3/4多数决解码来克服故障电容式感测区域。
图12是又一实例性传感器PCB 1200的示意图。图12的实例性传感器PCB 1200具有3个实例性电容式感测区域1204、1208及1212。图12的实例性电容式感测区域1204、1208及1212具有指状互锁或交错形状。电容式感测区域1204、1208及1212由3个手风琴或扇形折叠式屏障1216、1218及1220界定。类似于图8，实例性电容式感测区域1204、1208及1212中的每一者连接到相应感测电路(例如，图7的实例性振荡器电路700)及位于传感器PCB 1200的中心区域1224中的IC 1222(例如，图1的实例性IC 190)。
图13是可与图12的实例性传感器PCB 1200一起用来确定可旋转轴112的角位置的实例性导体PCB 1300的示意图。图13的实例性导体PCB 1300包含单个导体1304。
在操作中，实例性导体PCB 1300相对于传感器PCB 1200而旋转。当导体1304跨越电容式感测区域1204、1208及1212进行扫掠时，电容式感测区域1204、1208及1212的电容及因此对应振荡计数发生改变。举例来说，从图12中的3点钟位置开始并沿逆时针旋转，电容式感测区域1212的振荡计数将以其最大值开始并减小，直到振荡计数在11点钟位置处达到其最小值为止。同时，电容式感测区域1208的振荡计数将以其最小值开始并增大，直到振荡计数在11点钟位置处达到其最大值为止。因此，电容式感测区域1204、1208及1212的振荡计数可用于确定角位置。
转到图14，展示根据本发明的可与图15中所展示的实例性导体PCB 1500一起用来确定可旋转轴112的角位置的另一实例性传感器PCB 1400的示意图。图14的实例性传感器PCB 1400包含30个电容式感测区域，所述电容式感测区域中的一者以参考编号1404指定。在图14的实例中，电容式感测区域1404是径向延伸的楔形区域。30个电容式感测区域1404被指派到五个群组，在图14中标示为0、1、...、4。指派到同一群组的电容式感测区域1404是电耦合的(例如，通过电耦合其导电区域310而并联耦合)。类似于图8，实例性群组0、1、...、4中的每一者连接到相应感测电路(例如，图7的实例性振荡器电路700)及位于传感器PCB1400的中心区域1408中的IC 1406(例如，图1的实例性IC 190)。
图15是可与图14的实例性传感器PCB 1400一起用来确定可旋转轴112的角位置的实例性导体PCB 1500的示意图。图15的实例性导体PCB 1500包含单个导体1504。在操作中，实例性导体PCB 1500相对于传感器PCB 1400而顺时针旋转。当导体1504跨越电容式感测区域1404进行扫掠时，电容式感测区域1404的电容及因此对应振荡计数发生改变。
电容式感测区域1404被指派到群组0、1、...、4，因此随着导体PCB 1500旋转而识别群组的非重复序列。举例来说，如果群组2当前具有最大振荡计数，那么角位置可对应于电容式感测区域1404、1410、1412、1414、1416及1418中的任一者。然而，在知晓具有最大振荡计数的先前群组为群组3的情况下，可确定当前角位置对应于电容式感测区域1410。在一些情形中，可使用一个以上先前群组来解码角位置。同样地，额外先前群组可用于提供冗余，或校正潜在解码错误。
另外及/或另一选择为，实例性传感器PCB及导体PCB可用于检测其它状况，例如电机停转、转子不平衡等。举例来说，如果控制器180预期电机110正操作，但振荡计数并未如针对旋转电机所预期般改变(例如，同一电容式传感器144A到144H反复地具有最大振荡计数)，那么控制器180可确定电机110已停止旋转。当电机110平稳地(例如，无摇摆或不平衡)操作时，电容式传感器144A到144H将具有大约相同的最大振荡计数。因此，控制器180可通过观察在电机旋转时由导体与电容式传感器的重叠的改变或变化所致的振荡计数的变化(例如，振荡计数的最大值的振荡，例如，正弦型变化)而确定例如摇摆或不平衡等状况。除来回摇摆之外，此些变化还发生于随着导体旋转而使导体与电容式传感器重叠达不同量时。
图16是针对实例性电容式传感器144A到144H及实例性感测电路160A到160H中的一者的实例性循环计数的实例性曲线图。为图解的清晰起见，实例性曲线图未按比例绘制以便于任何访问。随着导体PCB 150旋转，当导体152与电容式传感器144A到144H重叠时，计数将周期性地增大。如上文所阐释，此周期性增大可用于确定导体152位于电容式传感器处。
图17是针对呈转子停转状况形式的电机故障状况的实例性循环计数的另一实例性曲线图。如图17中所展示，在转子停转事件之后，针对电容式传感器144A到144H的循环计数可能立刻停止周期性地增大，且可用于检测转子停转事件。在一些实例中，可通过测量循环计数的峰值之间的时间而确定或检测速度的减慢或增大。
图18是针对呈转子不平衡或摇摆形式的另一实例性电机故障状况的实例性循环计数的又一实例性曲线图。如图18中所展示，转子不平衡或摇摆状况会致使周期性循环计数增大在(举例来说)振幅上发生变化。在某一实例中，循环计数变化本质上为正弦型。
图19是实例性电荷转移感测电路1900及用于电容式传感器1904的实例性计数寄存器1902的示意图，其可用于实施图1的实例性感测电路160A到160H及实例性计数寄存器170A到170H。在图19中，电阻器-电容器(RC)网络1906用于给电路电压1908充电。通过控制实例性开关SW1及SW2而使电荷周期性地从感测电容器1904转移到RC网络1906。当导体接近电容式传感器1904时，电容式传感器1904的电容会增大，且开关SW1及SW2的每循环会使更多电荷从电容式传感器1904转移到RC网络1906。通过利用计数器1910对电路电压1908超过阈值电压VREF所需的开关SW1及SW2的循环的数目(例如，控制信号1912的循环的数目)进行计数，可确定电容式传感器1904的电容的度量。
计数寄存器1902中所存储的计数越小，电容式传感器1904的电容越大，此指示导体对电容式传感器1904的干扰越大。因此，计数寄存器1902、200A到200H中针对感测电路1900、160A到160H中的相应者所存储的计数可用于确定哪些电容式传感器1904、144A到144H(最)紧密接近导体，且因此，确定电机110的可旋转轴112的角位置。
图20是实例性Σ-Δ感测电路2000及用于电容式传感器2004的实例性计数寄存器2002的示意图，其可用于实施图1的实例性感测电路160A到160H及实例性计数寄存器170A到170H。在图20中，电容式传感器2004给电阻器-电容器(RC)网络2006充电，RC网络2006给电路电压2008充电。当导体接近电容式传感器2004时，电容式传感器2004的电容增大，且电荷更快地从电容式传感器2004转移到电路电压2008。一旦电路电压2008超过阈值参考电压VREF，便使比较器2012跳闸，且开始通过电阻器2014将电路电压2008放电。当电容式传感器2004的电容增大时，所述放电会随着通过电容式传感器2004做出的充电的继续而减慢。通过利用计数器2016对振荡器2020的输出信号2018的循环的数目进行计数可用于确定电容式传感器2004的电容。
计数寄存器2002中所存储的计数越大，电容式传感器2004的电容越大，此指示导体对电容式传感器2004的干扰越大。因此，计数寄存器2002、200A到200H中针对感测电路2000、160A到160H中的相应者所存储的计数可用于确定哪些电容式传感器2004、144A到144H(最)紧密接近导体，且因此，确定电机110的可旋转轴112的角位置。
图21是表示可实施为经译码计算机可读指令的实例性过程的流程图，所述经译码指令可经执行以实施用以确定电机110的可旋转轴112的角位置的电机位置感测组合件120。在此实例中，经译码指令包括供由例如下文结合图22所论述的实例性处理器平台2200中所展示的处理器2212的处理器执行的一或多个程序。所述程序可以经译码指令体现且存储于与处理器2212相关联的一或多个有形计算机可读存储媒体上。所述程序及/或其部分中的一或多者可替代地由除处理器2212之外的装置执行。所述程序中的一或多者可以固件或专用硬件体现。此外，尽管参考图21中所图解说明的流程图而描述实例性过程，但可替代地使用实施电机位置感测组合件120的许多其它方法。举例来说，框的执行次序可被改变，及/或所描述的框中的某些框可被改变、消除或组合。
如上文所提及，图21的实例性过程可使用一或多个有形计算机可读存储媒体上所存储的经译码指令(例如，计算机可读指令及/或机器可读指令)而实施。如本文中所使用，术语“有形计算机可读存储媒体”明确地定义为包含任何类型的计算机可读存储装置及/或存储盘，且不包含传播信号且不包含发射媒体。如本文中所使用，“有形计算机可读存储媒体”及“有形机器可读存储媒体”可互换地使用。另外或另一选择为，图21的实例性过程可使用一或多个非暂时性计算机媒体上所存储的经译码指令(例如，计算机可读指令及/或机器可读指令)而实施。如本文中所使用，术语“非暂时性计算机可读存储媒体”明确地定义为包含任何类型的计算机可读存储装置及/或存储盘，且不包含传播信号且不包含发射媒体。如本文中所使用，“非暂时性计算机可读存储媒体”及“非暂时性机器可读存储媒体”可互换地使用。
实例性有形计算机可读存储媒体包含但不限于任何有形计算机可读存储装置或有形计算机可读存储盘，例如，与处理器相关联的存储器、存储器装置、快闪驱动器、数字多功能光盘(DVD)、压缩光盘(CD)、蓝光光盘、软盘、硬盘驱动器、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等，及/或信息在其中存储达任何持续时间(例如，延长的时间周期、永久地、短暂实例、暂时缓冲及/或信息的高速缓存)的任何其它存储装置或存储盘。
图21的实例性过程包含：控制器180将感测电路160A到160H初始化(框2105)，及检查电容式传感器144A到144H的故障状况，例如开路、短路、高阻抗状态等(框2110)。此些状况可(举例来说)通过振荡计数等而识别，所述振荡计数随着电机旋转而太高、太低、不变。
控制器210从计数寄存器160A到160H(框2115)获得振荡计数值，且如果有任何振荡计数值出界(框2120)，那么对电容式传感器144A到144H及/或感测电路160A到160H执行校准过程(框2125)。当电容/数字计数转换超出范围时，针对图7的实例性振荡器电路700的实例性校准过程会改变比较器714正输入的阈值或电阻器732的电阻以使输出在范围内移动。控制返回到框2105以将感测电路160A到160H重新初始化。
如果振荡计数在范围内(框2120)，那么使用振荡计数来解码可旋转轴112的角位置(框2130)。如果冗余信息(如果可用)确认所述角位置(框2135)，那么输出所述角位置及/或使用所述角位置用于电机控制或其它目的(框2140)。
监测振荡计数的变化(框2145)。举例来说，监测振荡计数的例如振荡计数的最大值的振荡(例如，正弦型变化)等变化。如果检测到摇摆(框2150)，那么输出所检测到的摇摆的指示(框2155)，且控制返回到框2115以获得新的振荡计数(框2115)。
返回到框2135，如果冗余信息无法确认角位置(框2115)，那么摒弃经解码角位置(框2160)，且控制返回到框2115以获得新的振荡计数(框2115)。
图22是经配置以执行图21的用以实施图1及2的实例性电机位置感测组合件120的过程的实例性处理器平台2200的框图。举例来说，处理器平台2200可为服务器、个人计算机或任何其它类型的计算装置。
所图解说明实例的处理器平台2200包含处理器2212。所图解说明实例的处理器2212是硬件。举例来说，处理器2212可通过来自任何所要系列或制造商的一或多个集成电路、逻辑电路、微处理器、GPU或控制器而实施。
所图解说明实例的处理器2212包含本地存储器2213(例如，高速缓冲存储器)。所图解说明实例的处理器2212经由总线2218与主存储器通信，所述主存储器包含易失性存储器2214及非易失性存储器2216。易失性存储器2214可通过同步动态随机存取存储器(SDRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、RAMBUS动态随机存取存储器(RDRAM)及/或任何其它类型的随机存取存储器(RAM)装置而实施。非易失性存储器2216可通过快闪存储器及/或任何其它所要类型的存储器装置而实施。对主存储器2214、2216的存取受存储器控制器控制。
在所图解说明实例中，本地存储器2213、RAM 2214、只读存储器2216及/或大容量存储装置2228中的任何一或多者均可实施实例性计数寄存器160A到160H。
在一些实例中，实例性处理器2212经由总线2218及/或另一输入/输出接口(例如，外部IC引脚)与实例性电机110通信。
所图解说明实例的处理器平台2200还包含接口电路2220。接口电路2220可通过任何类型的接口标准而实施，例如以太网接口、通用串行总线(USB)及/或外围组件互连(PCI)高速接口。
在所图解说明实例中，一或多个输入装置2222连接到接口电路2220。输入装置2222准许用户将数据及命令输入到处理器2212中。举例来说，输入装置可通过音频传感器、麦克风、摄像机(静止画面或视频)、键盘、按钮、鼠标、触摸屏、轨迹板、轨迹球、等点鼠标(isopoint)及/或语音辨识系统而实施。在一些实例中，输入装置2222实施电容式传感器144A到144H及/或感测电路160A到160H的全部或一部分。
一或多个输出装置2224还连接到所图解说明实例的接口电路2220。举例来说，输出装置2224可通过显示装置(例如，发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、液晶显示器、阴极射线管显示器(CRT)、触摸屏、触觉输出装置、打印机及/或扬声器)而实施。因此，所图解说明实例的接口电路2220通常包含图形驱动器卡、图形驱动器芯片或图形驱动器处理器。在一些实例中，一或多个输出装置2224用于控制电机110。
在一些实例中，处理器2212包含使得处理器2212能够控制及/或接收来自电机110及/或电机位置感测组合件120的输入的模拟前端(AFE)组件2230。实例性AFE组件包含但不限于：实例性计时器2230A，其用以对计数寄存器190A到190H中的振荡计数的存储进行门控；偏置内部振荡器电路2230B；实例性阈值跟踪器2230C，其用以监测振荡器计数及调整用于确定振荡器计数是否超出范围的阈值；及电容式传感器接口2230D，其用于控制及接收来自振荡器电路2230B的信息。
所图解说明实例的接口电路2220还包含例如发射器、接收器、收发器、调制解调器及/或网络接口卡等通信装置以促进经由网络2226(例如，以太网连接、数字订户线(DSL)、电话线、同轴电缆、蜂窝式电话系统等)与外部机器(例如，任何种类的计算装置)的数据交换。
所图解说明实例的处理器平台2200还包含用于存储软件及/或数据的一或多个大容量存储装置2228。此些大容量存储装置2228的实例包含软盘驱动器、硬盘驱动器、压缩光盘驱动器、蓝光光盘驱动器、RAID系统及数字多功能光盘(DVD)驱动器。
经译码指令2232包含图21的机器可读指令，且可存储于大容量存储装置2228中、存储于易失性存储器2214中、存储于非易失性存储器2216中及/或存储于例如CD或DVD等装卸式有形计算机可读存储媒体上。实例性经译码指令包含但不限于：配置与管理功能2232A，其用以实施对电机110的总体控制及操作；角度搜索器2232B，其用以依据振荡计数而确定可旋转轴112的角位置；及电容测量器2232C，其用以通过控制振荡器及计数器而确定电容。
依据前述说明，将理解，已揭示通过改进确定电机的可旋转轴的角位置的准确性及速度而增强电机控制操作的方法、设备及制品。所述方法、设备及制品的额外实例包含但不限于：
一种用以确定电机的可旋转轴的位置的实例性设备包含：传感器印刷电路板(PCB)，其经结构化以安装到电机，所述传感器PCB包含多个电容式传感器，所述多个电容式传感器具有在所述电机的操作期间随着导体连同所述电机的可旋转轴一起相对于所述传感器PCB移动而独立地改变的多个电容中的相应电容；及控制器，其电耦合到所述传感器PCB，所述控制器经配置以基于所述多个电容而确定所述可旋转轴的位置。
一种经结构化以安装到电机的实例性印刷电路板(PCB)包含：多个电容式传感器，所述电容式传感器中的每一者具有电容器，所述电容器具有第一端子及第二端子，所述第二端子耦合到接地端子；感测电路，其耦合到所述第一端子，所述感测电路具有频率取决于所述电容器的电容的信号，所述电容会对所述电容器与随所述电机的可旋转轴一起旋转的导体的接近度做出响应；计数器，其耦合到所述信号以对所述信号的循环进行计数；及控制器，其基于所述循环的计数而确定所述电机的所述可旋转轴的位置。
一种确定电机的可旋转轴的故障状况的实例性方法包含：对多个感测电路中的相应者的多个循环计数进行计数，所述感测电路中的每一者具有相应循环频率是基于相应电容式传感器的电容的信号，所述电容式传感器与随所述可旋转轴一起旋转的导体的多个相应角位置中的一者相关联；及基于所述多个循环计数的变化而确定所述可旋转轴的故障状况。
一种实例性有形计算机可读存储媒体包含在被执行时致使机器至少执行以下操作的指令：对多个感测电路中的相应者的多个循环计数进行计数，所述感测电路中的每一者具有相应循环频率是基于相应电容式传感器的电容的信号，所述电容式传感器与随可旋转轴一起旋转的导体的多个相应角位置中的一者相关联；及基于所述多个循环计数而确定所述可旋转轴的角位置。
一种实例性电机组合件包含：电机，其具有可旋转轴；传感器印刷电路板(PCB)，其安装到所述电机，所述传感器PCB包含多个电容式传感器，所述多个电容式传感器具有在所述电机的操作期间随着导体相对于所述传感器PCB移动而改变的多个电容中的相应电容，所述多个电容式传感器中的每一者包含形成于所述传感器PCB上的导电区域及形成于所述传感器PCB上的接地区域，所述接地区域与所述导电区域间隔开以与所述导电区域一起形成电容器，所述电容器形成所述电容式传感器的所述电容；多个感测电路，其用于所述多个电容式传感器中的相应者，所述感测电路中的每一者具有循环频率是基于所述相应电容式传感器的所述电容的信号；控制器，其安装到所述传感器PCB，所述控制器经配置以针对所述多个电容式传感器中的相应者对所述多个信号的循环进行计数，且基于具有最大相应计数的所述电容式传感器而确定所述可旋转轴的位置；及导体PCB，其安装到所述可旋转轴，所述导体PCB随所述可旋转轴一起旋转，所述导体PCB包含在所述电机的所述操作期间随着所述可旋转轴旋转而改变所述多个电容的所述导体。
在本说明书及所附权利要求书中，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一(a、an)”及“所述(the)”包含复数参考。此外，除非上下文另外明确指出，否则例如“及”、“或”以及“及/或”等连词是包含性的。举例来说，“A及/或B”包含单独A、单独B及A与B。此外，如本文中所使用，当在本说明书中及/或作为权利要求的序文中的过渡词使用短语“至少”时，“至少”以与术语“包括”为开放式相同的方式为开放式的。
此外，所呈现的各图中所展示的连接线或连接器打算表示示范性功能关系及/或各种元件之间的物理或逻辑耦合。应注意，实际装置中可存在许多替代或额外功能关系、物理连接或逻辑连接。此外，除非元件特别地描述为“必不可少的”或“关键的”，否则没有物项或组件对本文中所揭示的实施例的实践来说必不可少。
例如但不限于近似地、基本上、大体上等术语在本文中用于指示不需要且不必指定精确值或其范围。如本文中所使用，以上所论述的术语对于所属领域的技术人员将具有现成当下意义。
尽管本文中已描述某些实例性方法、设备及制品，但本专利的覆盖范围不限于此。亦应理解，本文所采用的术语仅出于描述特定方面的目的，而不打算为限制性的。相反，本专利涵盖合理地属于本专利的权利要求书的范围内的所有方法、设备及制品。

Claims (20)

1.一种电机位置感测组合件，设备包括：
传感器，其具有开口，所述开口适于环绕电机的可旋转轴的一部分，所述传感器包括：
电容式传感器；
计数器，其中所述计数器中的每一者耦合到所述电容式传感器中的相应一者，并且其中所述计数器中的每一者经配置以确定与所述电容式传感器中的所述相应一者的电容值成比例的计数值；
计数寄存器，其中所述计数寄存器中的每一者耦合到所述计数器中的相应一者，并且其中所述计数寄存器中的每一者经配置以存储所述计数值；及
控制器，其耦合到所述传感器，所述控制器经配置以从所述计数寄存器中的每一者获取所述计数值，所述控制器经配置以确定角位置、电机停转条件、以及响应于所述电容式传感器的所述可旋转轴的平衡，所述平衡是通过当所述可旋转轴相对于所述电容式传感器移动时比较来自所述计数寄存器中的每一者的所述计数值而确定，所述电机停转条件是由所述电容式传感器中的至少一者的计数值是恒定的并且在一段时间内增加超过所述电容式传感器中的其他电容式传感器的计数值而确定。
2.根据权利要求1所述的电机位置感测组合件，其包含：
导体，其安装到所述可旋转轴，所述导体随所述可旋转轴一起旋转。
3.根据权利要求2所述的电机位置感测组合件，其中所述传感器相对于所述可旋转轴的旋转是静止的。
4.根据权利要求2所述的电机位置感测组合件，其中所述导体是第一导体并且进一步包括安装至所述可旋转轴的第二导体，所述第二导体与所述第一导体间隔开。
5.根据权利要求2所述的电机位置感测组合件，其中所述电容式传感器中的至少一者包括形成于所述传感器的表面上的电容器，所述电容器的电容值响应于所述电容器与所述导体的接近度而改变。
6.根据权利要求1所述的电机位置感测组合件，其中所述电容式传感器中的每一者包含形成于所述传感器上的导电区域及形成于所述传感器上的接地区域，所述接地区域与所述导电区域间隔开以与所述导电区域一起形成电容器，所述电容器形成相应的所述电容式传感器的所述电容值。
7.根据权利要求1所述的电机位置感测组合件，其中所述电容式传感器中的两者电耦合。
8.根据权利要求1所述的电机位置感测组合件，其中所述电容式传感器中的每一者径向延伸。
9.根据权利要求1所述的电机位置感测组合件，其中所述电容式传感器具有交错的指状形状。
10.根据权利要求1所述的电机位置感测组合件，其中当所述电容式传感器中的每一者的最高计数值相等时，所述平衡被确定为是平衡的。
11.一种电机组合件，其包括：
电机，其具有可旋转轴；
传感器，其具有环绕电机的所述可旋转轴的一部分的开口，所述传感器包括：
电容式传感器；
计数器，其中所述计数器中的每一者耦合到所述电容式传感器中的相应一者，并且其中所述计数器中的每一者经配置以确定与所述电容式传感器中的所述相应一者的电容值成比例的计数值；
计数寄存器，其中所述计数寄存器中的每一者耦合到所述计数器中的相应一者，并且其中所述计数寄存器中的每一者经配置以存储所述计数值；及
控制器，其耦合到所述传感器，所述控制器经配置从所述计数寄存器中的每一者获取所述计数值，所述控制器经配置以确定角位置、电机停转条件、以及响应于所述电容式传感器的所述可旋转轴的不当平衡，当所述电容式传感器中的至少一者的所述计数值在一段时间内保持恒定时确定所述电机停转条件，当所述电容式传感器的所述计数值不均匀而所述可旋转轴移动时确定所述不当平衡。
12.根据权利要求11所述的电机组合件，其包括安装到所述可旋转轴的导体，所述导体随所述可旋转轴一起旋转。
13.根据权利要求12所述的电机组合件，其中所述传感器相对于所述可旋转轴的旋转是静止的。
14.根据权利要求12所述的电机组合件，其中所述导体是第一导体，并且进一步包括安装至所述可旋转轴的第二导体，所述第二导体与所述第一导体间隔开。
15.根据权利要求12所述的电机组合件，其中所述电容式传感器中的至少一者包括形成于所述传感器的表面上的电容器，所述电容器的所述电容值响应于所述电容器与所述导体的接近度。
16.根据权利要求11所述的电机组合件，其中所述电容式传感器中的每一者包含形成于所述传感器上的导电区域、以及形成于所述传感器上的接地区域，所述接地区域与所述导电区域间隔开以与所述导电区域一起形成电容器，所述电容器形成相应的所述电容式传感器的所述电容值。
17.根据权利要求11所述的电机组合件，其中所述电容式传感器中的两者电耦合。
18.根据权利要求11所述的电机组合件，其中所述电容式传感器中的每一者径向延伸。
19.根据权利要求11所述的电机组合件，其中所述电容式传感器具有交错的指状形状。
20.根据权利要求11所述的电机组合件，其中当所述电容式传感器中的每一者的最高计数值一致时，所述平衡被确定为是平衡的。
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