CN113405442B - 用于操作具有单磁道磁码对象的绝对测量位置检测系统的方法 - Google Patents

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Abstract

在一种用于操作绝对测量位置检测系统的方法中，所述绝对测量位置检测系统具有传感器布置(100)和具有非重复码区域的单磁道磁码对象(105)，其中，所述传感器布置(100)由基本上线性布置的多个磁场传感器(110)形成，特别地规定，所述传感器布置(100)相对于相应码对象(105)的相对位置是通过搜索部分模式确定的，所述部分模式基于包含针对整个码对象(105)的传感器根据所述码对象(105)上的位置检测到的磁场矢量分量的磁曲线变化或磁模式的可用参考数据与当前传感器检测到的部分模式最类似。

Description

用于操作具有单磁道磁码对象的绝对测量位置检测系统的 方法
技术领域
本发明涉及一种用于基于磁码对象(例如，磁码条或编码的磁带)的绝对测量位置检测系统的传感器布置，并且特别地涉及一种用于操作这种位置检测系统的方法以及一种可对应地操作的位置检测系统。
背景技术
从DE 195 186 64C1中已知一种用于确定物理线性编码的位序列的相对位置或移动的方法以及一种具有用于检测对应的物理参数的传感器元件的布置的对应的传感器头。传感器头的位序列的每个位包括两个传感器元件。
此外，本申请人一方面开发并销售一种磁带位置检测系统，其具有用于检测目标对象(例如，磁码带)的精确位置的增量位置传感器，其中，检测磁场的两个传感器元件布置在与磁码带平行的线上。这些传感器元件之间的距离对应于码条的磁极间隔的四分之一。相应磁场矢量的分量的SIN/COS位置依赖性借助于内插器解析或内插。
另一方面，本申请人还开发并销售一种具有绝对地测量目标对象(例如，磁码条)的位置的位置传感器的磁带位置检测系统，其中，所述码条被划分为两个平行的磁道。一条磁道允许在码条的一个磁周期内以相对高分辨率的位置确定进行增量测量。另一方面，另一磁道承载绝对定位码，所述绝对定位码被编码为最大长度的非重复常规12位或14位序列。
发明内容
本发明基于以下认识：在此所涉及的并且基于一个或多个磁码条的绝对测量磁位置传感器被设计为仅用于单个磁模式，例如仅用于特定极宽的模式。因此，对应的位置检测系统不容易适应均匀位长度的不同磁码对象。因此，本发明的目的首先在于，指定一种用于操作在此涉及的传感器布置的方法，所述方法使得即使在磁码对象在每种情况下具有不同磁模式的情况下也能够操作这种传感器布置或对应的位置检测系统。
前面提及的具有例如绝对码条的码对象的平行磁道导致相邻磁场的磁扰动，这导致测量分辨率的显著降低并且导致码带条与磁传感器元件之间相当有限的可能读取距离。因此，本发明的目的还在于，这种方法还使得能够操作具有在此涉及的具有较大读取距离的传感器布置的位置检测系统。
前面提及的固有已知的绝对传感器对传感器元件相对于码对象或码条的未对准也非常敏感。这特别地适用于具有传感器布置的位置检测系统，所述传感器布置具有在三个空间方向上进行磁检测的传感器元件。根据图1所示出的三轴坐标系，这种未对准可能是：
-从图1所示出的x方向观察时，传感器布置与相应码对象之间的竖直距离Δz在图1所示出的z方向上的改变；
-当从图1所示出的y方向观察时，传感器布置与相应码对象之间的俯仰α俯仰改变；
-当从图1所示出的x方向观察时，传感器布置与相应码对象之间的侧倾角α侧倾的改变；
-当从图1所示出的z方向观察时，传感器布置与相应码对象之间的偏航角α偏航的改变；
-当从图1所示出的x方向观察时，传感器布置的对称平面与相应码对象的对称平面之间的横向位移Δy；
-当从图1所示出的y方向观察时，传感器布置相对于相应码对象的移动方向的竖直倾斜，并且从而导致传感器布置与相应码对象之间的距离沿x方向的连续改变Δz；
-当从图1所示出的z方向观察时，传感器布置相对于相应码对象的移动方向的水平倾斜，并且因此导致传感器布置相对于相应码对象在y方向上的连续改变Δy。
因此，本发明的目的还在于，这种方法还使得能够操作具有在此涉及的传感器布置的位置检测系统，所述位置检测系统相对于前面提及的未对准尽可能地容错。
一个或多个码条中发生的错误(例如，由于机械磨损或由于磁化强度的改变，诸如，单个磁极的非期望磁性反转)导致测量分辨率降低，或者甚至使得整个位置检测系统无法使用。因此，本发明的目的还在于，这种用于操作具有在此涉及的传感器布置的位置检测系统的方法也可适应于相应的磁编码的目标或测量对象的此类改变。
在具有圆形弯曲的码条的传感器应用中，必须始终确保相应码条的周长是相应位宽度的整数倍。因此，本发明的目的还在于，指定这样一种用于操作具有在此涉及的传感器布置的位置检测系统的方法，所述方法也与这种码条的任何直径兼容。
根据第一方面，特别是为了解决前面提及的目的，本发明提出一种用于操作在此涉及的绝对测量线性位置检测系统的方法，其中，所述位置检测系统具有基本上线性布置的多个磁场传感器，以及具有非重复码区域的单个和单磁道磁码对象，例如，具有在码条上编码的位模式的均匀位长度的磁码条或磁码带。
在此应当注意，长度基本上相等的基本上均匀磁化区域的出现是基于位标识(“位图”)的操作的前提。尽管对于位序列磁码对象，基于实际测量的模式与先前基于场矢量分量、相位等存储在参考图中的位模式之间的最小相异性来标识在此所涉及的传感器头的实际位置是非常可靠的，但是相码对象不需要如此规则地形成。相反，码对象应该只是磁性对象，在这个磁性对象中，与传感器头本身一样，基本上是非磁性短路的磁性模式不会重复。
在所提出的方法中，特别地规定，传感器布置相对于相应码对象的相对位置是通过搜索最类似于预确定模式的目前完整测量曲线的检测到的磁场信号的部分模式来确定的。作为类似性的度量，可应用一种固有已知的相关技术，例如，借助于固有已知的“最小平方”方法来搜索要比较的两个信号之间的最小平方偏差。
用于确定一个类似性或距离度量的其他可能方法是其他量度，诸如，差的绝对值之和，而不是差的平方之和。即使利用这些方法，但是如果在执行相异性测试之前对要比较的两个模式进行归一化，以尽可能减少传感器与码对象之间在z方向上的距离的影响也是有利的。
确定距离度量的另一种可能性是应用人工神经网络，所述人工神经网络先前已相对于要比较的两个模式的可能检测位置之间的距离估计进行过训练。
根据另一方面，所述部分模式是例如，在自动执行系统的安装期间由位置检测系统自动学习的。这样做时，系统创建或学习给定码对象的图，以及实际上的部分模式的空间剖面图，所述空间剖面图共同描述沿着单磁道码对象(例如，码带)的磁场。
根据另一方面，在位置检测系统的正常操作中，传感器布置相对于码对象的相对位置是通过搜索在由所述学习方法生成的图中的最类似于当前检测到的模式的局部或部分模式来确定的。
根据另一方面，位置检测系统还可基于类似性或匹配性的相应质量来执行自诊断。
根据另一方面，在例如由于码对象的损坏而发生任何改变的情况下，所学习的图可在系统的操作期间被重新学习。以此方式，能够可靠地检测传感器布置与码对象之间的所述未对准。
根据另一方面，所学习的图优选地包括磁场矢量分量的值和相应的相位角。特别地，可在正常操作期间，即在传感器布置的移动期间，学习、扩展或更新所述图。以此方式学习的新部分模式是在成功定位部分模式之后，基于已经知道的图的对应部分模式学习的。
相对于所述相位信息，可进一步规定，考虑到相位变化，根据由传感器检测到的并且相对于彼此相位偏移的至少两个磁场矢量分量生成对应的位模式。由传感器检测到的并且相对于彼此相位偏移的至少两个场矢量分量可借助于线性积分变换，尽可能好地进行与相位相关的匹配，以便生成对应的位模式。
为此应当注意，所提出的方法或位置检测系统的主要目的是尽可能使用具有单轴传感检测的传感器元件，或者在具有多轴传感检测的传感器元件的情况下，每个传感器元件仅读出一个矢量坐标，或者借助于希尔伯特变换相对于相应的其他矢量分量计算或模拟以此方式检测到的模式。因此，可显著提高位置检测系统的操作速度。
根据又另一方面，位置检测系统已经可在学习期间以正常模式操作，其中，优选地连续执行的学习过程可在其整个生命周期中保持甚至改进系统的测量分辨率或测量特性。此外，借助于学习过程，在改变的测量条件下的操作也是可能的。
应当注意，在本上下文中，所谓的“磁码”表示磁位序列，其中，具有基本上相等的位长度的纵向布置的区对应于位序列的位，并且每个区的磁化方向由对应位的值确定。位长度基本上相等的此类区在本文中称为“磁性位”。所述区本身基本上是磁均匀极化的，其中，极化方向垂直于码带的表面，并且其中，区的极化具有基本上相等的强度，但是对于二进制“0”和“1”值而言，方向分别相反。
在本上下文中，“位图”是存储在传感器装置的存储器中的位序列，以表示对应于码带的所述磁性位的相应位序列的二进制值。
在此涉及的位置检测系统标识磁性位的在其长度范围内的值，即以对应检测到的位序列的方式，并且确定沿着码带的纵向轴线的每个0->1和1->0位转移相对于传感器布置的坐标系的位置。所述位转移的位置可以优于磁性位的1/4位长度的精度发生。
在此所涉及的位置检测系统将在相应的码对象处检测到的位序列定位在所提及的位图中，并且从中计算出传感器布置沿码对象的大致绝对位置，作为位图内观察到的序列的相应第一位的磁性位宽度和序列号的数学乘积。
本文所涉及的位置检测系统进一步根据在码对象处检测到的位序列来计算绝对位置，作为传感器布置的坐标系中的所观察到的位序列的第一位的粗略绝对位置和起始位置之和。
所提出的用于操作在此涉及的传感器布置或对应的位置检测系统的方法特别地具有由此产生的以下技术效果或优点：
-通过所述方法，位置检测系统可容易地适应相应的(磁性)环境，并且可在没有外部参考系统的情况下进行校准；
-由于所述方法，位置检测系统具有很高的容错度，因为它可在各种损坏、未对准和故障时恢复自身的正常操作；
-所述方法使得传感器布置或位置检测系统能够非常稳健地操作；
-即使在极端未对准的情况下，例如相对于俯仰、侧倾和/或偏航，或者在传感器元件的三个空间方向上的空间位移或传感器布置相对于相应码对象空间位移的情况下，传感器布置或位置检测系统仍然可通过所述方法非常可靠地操作；
-借助于所述方法，传感器布置或位置检测系统可与任何(例如带有绝对或增量码条或码带的)码对象一起使用；
-位置检测系统还可借助于提出的学习方法，在手动创建码带的情况下以及在例如由于磁性反转而损坏码带的情况下可靠地操作；
-所述方法可使用传感器布置或位置检测系统，而不受圆形码对象直径的限制。
附图说明
图1以示意性等距图示出这里涉及的位置检测系统；
图2a、图2b示意性地示出在此涉及的磁码带或磁码条的两种可能的设计；
图3示出当借助于在此所涉及的位置检测系统的传感器布置沿图2a和图2b所示出的码带移动时的磁场矢量的典型改变，基于此执行相位评估；
图4a、图4b示出利用在此涉及的位置检测系统的传感器布置获得的典型测量曲线，所述测量曲线具有图3所示出的相位跃迁以及在这些测量曲线上检测到的对应位置数据(4a)和位模式(4b)；
图5a至图5c示出根据本发明的学习方法的示例性实施方案，其基于在此涉及的码对象(在这种情况下是以码带的形式)上测量的典型磁性传感器数据，取决于传感器布置沿码带的位置；
图6a至图6e示出由传感器检测到的磁场分量产生的第一图和具有从检测到的传感器数据获得的相位角的第二图的创建；
图7a至图7d示出根据本发明的用于基于类似性比较来查找存储在提及的图上的部分模式的过程的示例性实施方案；
图8a至图8g示出例示根据本发明的方法对码带附近存在的外部磁场的抗扰度或鲁棒性的示例性测量曲线。
具体实施方式
图1中所示出的传感器布置(或传感器头)100和此处所示出的磁性目标对象(在当前情况下为拉伸的磁码带105)一起形成线性的绝对测量位置检测系统。
磁码带105具有多个磁极，所述磁极具有向上的极方向107或向下的极方向108。这些不同的极在x方向上的线性布置表示磁码带105的编码。
在本示例性实施方案中，传感器布置或传感器头100具有多个——十八(18)个磁场传感器元件110，所述磁场传感器元件110在x方向上不规则地间隔开，如箭头125所指示。传感器头100还包括测量单元和数字信号处理单元(DSP单元)115，以及数字通信接口120。
除此之外，标记了传感器布置100的坐标系130的轴相对于在本示例性实施方案中提供的磁码带105的典型空间布置。
布置在传感器布置上的测量/DSP单元115检测并处理来自磁场传感器元件110的原始信号，并且经由数字通信接口120与外部装置(此处未示出)通信，即用于传输传感器数据、参数数据和诊断数据。磁场传感器元件110被设计来特别地在两个轴上是磁敏感的，以便能够执行对测量信号的相位评估，如下文所提及和更详细地描述。
磁场传感器元件110特别地具有以下技术性能或特征：
-它们被设计来基本相等；
-它们沿着磁码对象被布置在传感器元件的移动方向上；
-根据磁码对象的空间配置或要检测的相应目标对象的移动轨迹，它们沿着直线或沿着弯曲轨迹布置；
-它们被布置成在其各个传感器元件之间具有基本上恒定的距离，或者在各个传感器元件之间具有不同或变化的距离；
-它们各自具有用于检测由磁性目标对象生成的磁场的至少两个敏感轴。因此，敏感轴跨越基本上与磁场传感器元件的布置与连接磁场传感器元件的布置和相应磁性目标对象的中心的线两者重合的平面。根据目标对象的类型，所述中心是磁码带的中心线或离散磁体的中心。
然而，本文提出的传感器布置也可应用于仅在单个轴上进行磁检测的传感器元件。而且，传感器布置可(任选地)仍然具有基本上垂直于前两个轴定向的第三敏感轴。
特别地，信号处理单元115具有以下技术性能或特征：
-它具有可编程部件(例如，微控制器、FPGA或类似物，或此类部件的组合)，以及操作存储器(例如，尽可能快的RAM)，以及可重写的非易失性存储器，例如，FLASH、FRAM或类似物；
-它周期性地读出来自磁场传感器元件的信号；
-它以自我调节的方式(可以说，借助于背景校正并且借助于增益补偿例如基于整流信号相对于传感器布置的坐标系的空间旋转来消除传感器布置的磁场传感器元件之间的微小传感差异)将传感器检测到的信号转换为一系列常规传感器信号；
-它基于检测到的传感器信号，确定传感器布置或传感器头相对于磁性目标对象的相对位置；
-它为位置检测系统的安装、维护和正常操作提供诊断信息和工具；
-它能够经由数字接口与外部装置进行双向通信。
图2a和图2b示意性地例示在此涉及的位置检测系统的两个示例性磁码带(或磁码条)。
图2a中所示出的绝对码带仅具有单个磁道200，所述单个磁道200具有绝对码，所述绝对码具有均匀位长度。绝对码由极的线性布置组成，所述极的线性布置具有向上的极方向(参见图1)205且具有向下的极方向210。因此，所示出的编码既包括被不同极性的极包围的单个极207，又包括多个极，即相同极性的多个连接极205、210。
相反，图2b中所示出的也适合于根据本发明的传感器布置或对应的位置检测系统的码带具有均匀的、递增的位长度码215和相对短的码段220两者或在每种情况下都具有均匀的位长度的位码的对应码目标对象。
根据图2a和图2b，根据本发明在每种情况下仅需要单个绝对码磁道200、220。相对于磁码条，这具有各种优点。首先，与现有技术相比，其结果是较低的制造成本以及总操作成本。此外，其结果是更简单的安装，以及更大的装配误差容差。
图3例示通过根据本发明的传感器布置沿着图2a和图2b所示出的码带在所示出的x方向300上移动时产生的磁场矢量。包括在图中的点305指示相应的扫描位置。还示出的线310在每种情况下都在磁感应期间发生的场矢量的方向上对准，其对应于图下方指示的可能相位值320。线的长度已经归一化为存在的绝对场值的最大值。
在图的较下部分中绘制的阶梯形线315对应于由扫描产生的磁码。磁感应矢量的角度相对于x轴测量。在下文中，此角度称为磁感应矢量的相位角或相位。
在传感器元件与相应码带的任何距离处(即，在图1所示出的竖直z方向上)，其中，此距离不应大于磁码位的纵向尺寸，磁感应矢量在传感器元件从左向右移动时在反方向(即在本图示中为顺时针方向)上旋转。在具有交替的(位)极性的码位边界上方，所述场基本上是水平的。然而，由于各个磁码位(参见包含在顶行中的位)的磁场分布变宽，因此在较大距离处难以或无法检测或测量某些位。
图4a例示在每种情况下检测到的码位处的相位跃迁的典型测量曲线。在此，曲线400对应于磁感应矢量沿着码带上的(水平)位置的相位变化，并且阶梯形线405对应于检测到的磁码位的对应值。
如果传感器布置或传感器头在相应目标对象(例如，磁码带、偶极磁体等)上方从左向右移动，则磁感应矢量沿着反方向(即在当前情况下为顺时针)旋转。现在，相位变化400具有与磁码带的结构相对应的性能特征。平台形的相位变化区域410对应于较长的、磁均匀的区段。然而，在不同极性的极或极区域之间的磁跃迁415处，相应码位被反转。因此，有可能在当前情况下借助于“反向分析”来确定相应磁位序列。
在图4b中，在所示出的图的较上部分中描绘码带位模式420，其中，425和430表示由传感器检测到的对应规则(并且已经均衡)的信号的相应x分量和z分量。在图的中间描绘检测到的二进制模式435。在此，点440对应于检测到的位，并且点445对应于传感器的实际参考位置。在图的较下部分中，描绘检测到的位模式450和从由传感器检测到的所述常规信号生成的单调相位455。
图5a至图5c示出根据本发明的学习方法的示例性实施方案，其使用在码带上测量的典型磁性传感器数据，并且取决于传感器布置沿着码带的位置。
根据所述方法，在位置检测系统的期间操作(即在传感器布置沿着码对象的移动期间)，基于传感器检测到的磁场矢量分量(在下面描述的示例性实施方案中的场分量Bx和Bz)以及基于这些矢量分量的相位角，生成具有磁曲线变化或磁模式的参考表(本文称为“参考图”)。因此，通过在现有地图上借助于类似性检查找到与这些部分模式相对应或相关的已经存在的部分模式，并且通过用对应的当前检测到的部分模式替换、改进或校正这些对应的部分模式，来学习新的(局部)磁部分模式。
在此应当注意，基于相异性的实际位置的标识不取决于传感器元件的敏感轴的数量。这适用于单轴敏感传感器元件和三轴敏感传感器元件两者。
在本示例性实施方案中，所提及的学习过程包括基于所述已经存在的参考图的以下四个过程步骤：
1.读出在每种情况下涉及的码对象的现有参考图(注意：针对每个码对象创建单独的参考图)，
2.借助于相关计算在参考图中查找到部分模式，其中此部分模式尽可能类似于当前测量的部分模式或对应的磁曲线变化，
3.通过数学插值学习新的或对应改变的模式或对应的完整曲线变化，以及
4.基于给定的、在此所涉及的磁性系统的物理模型，对已改变的模式或曲线变化进行理想化处理，并且对应地更新已经现有的参考图。
此过程的优点在于，即使在学习过程中，位置检测系统也可在正常模式下操作，以及作为学习过程的结果，即使在外部条件剧烈变化的情况下(例如，由于下面描述的寄生磁场)，所述系统也可保留或甚至改善其测量性能。
在图5a至图5c中，由码带上的传感器检测到的场矢量分量Bx(黑点)500和Bz(白点)505在以传感器布置沿码带的单位[mm]的每种情况下以高于实际位置的任意单位来描绘。也画出的线507、509对应于测量点之间的简单连接线，针对两个场分量中的每一者进行了不同地描绘(Bx：粗线，Bz：虚线)。
应当注意，在本实例中，图5a至图5c中示出的点500、505的数量是11(十一)个，对应于图1中示出的仅具有十一(11)个传感器元件110的传感器布置100，其中，在本示例性实施方案中，各个传感器元件之间的距离是位长度的大约1.38倍。
因此，图5a示出针对两个场矢量分量的当前检测到的空间受限的(局部)部分模式(点分布)或对应的曲线变化。这些模式或对应的曲线变化被存储或保存在参考图上。
在图5b所示的测量情况下，传感器布置向码带的右上方移动了大约40mm。其结果是，示出的针对两个场矢量分量的另外的部分模式或对应的曲线变化。在本示例性实施方案中，此另外的参考数据也存储在参考图上。
在图5c所示出的测量情况下，码带上方的传感器布置从根据图5b的最后位置开始向左移动了大约130mm。其结果是，示出的针对两个场矢量分量的再另外的部分模式或对应的曲线变化510。除了已经存储的数据515之外，此另外的数据也存储在参考图上。
其结果是，在图5c中由实线520和虚线525描绘的针对作为整体的当前码带的两个场矢量分量Bx和Bz的变化。
图6a至图6e示出第一图的创建，所述第一图具有从图5a所示出的两个磁场分量500、505的(局部)部分模式开始的两个场矢量分量Bx和Bz沿着整个码带的完整变化。此外，根据此数据示出了创建具有对应相位角的第二图。
根据点值500、505(图6a)，以单位“弧度”(图6b)计算测量的两个场矢量分量之间的测量点的相位偏移或对应的相位角，这取决于通过相应差分形成的传感器布置的位置。
通过以图5a至图5c所示出的方式沿着整个码带移动或来回移动传感器布置，生成两个磁场矢量分量的完整的第一参考图(图6c)。对应地，生成了沿着整个码带的两个场矢量分量之间的相位路线或相位偏移615的第二参考图(图6d)。在此描绘中，根据图6b的局部相位路线600由窗口620描绘或突出显示。
根据图6c所示出的两个场矢量分量Bx和Bz的两个相位偏移的曲线变化605、610，考虑到相位变化615，计算或形成对应的位模式625。在本实例中出现的(二进制)位序列630也在位模式625上方列出。这是因为这两个场分量几乎表示调和共轭，并且因此优选地借助于积分线性变换(例如，整体上已知的“希尔伯特变换”)，尽可能好地进行相位相关的匹配或重叠，使得可结合确定对应的位模式对它们进行评估。
在此应当注意，如果每个传感器元件仅具有一个敏感方向，则也可进行联合评估。因此，在传感器元件仅对一个场矢量分量(例如，Bx)敏感的情况下，可通过希尔伯特变换从场矢量分量Bx的过程至少近似地计算或模拟相应的其他场分量(即在这种情况下为Bz)的过程。
图7a至图7d示出一种借助于类似性检查来查找存储在图上的部分模式的方法。在此，位置检测系统通过查找存储在参考图上的与当前传感器检测到的部分模式最类似的局部或部分模式，来确定传感器布置相对于码带的位置。在本示例性实施方案中，使用最小偏差或误差平方的已知方法来计算类似性。然而，也可考虑其他已知的相关方法，诸如，开头提及的方法。
图7a示出在此假设的并且仅具有一个磁道的码带700，其具有图1所示出的磁极108、108的不规则序列。
图7b再次仅示出用于当前检测到的传感器数据705(黑点)和用于存储在参考图上的并且非常类似于当前传感器数据705的传感器数据710(白点)的局部检测传感器信号，两个值均以任意单位表示，并且实际上取决于传感器布置与码带之间的以[mm]计的相对位置(参见图1)。再次由测量点之间的简单连接线生成的两条测量曲线示出清晰可见的高匹配。
相反，图7c示出当前在参考图上的不同位置处局部检测到的传感器数据715(黑点)和存储在参考图上的此位置处的对应数据720(白点)，两个值再次以任意单位表示。然而，与图7b相比，可看出两条曲线之间有相当大的偏差。
图7b示出根据图7b和图7c的匹配结果计算出的相异性曲线725，其可用于确定参考图上的具有最高匹配度的位置。因此，根据图7b的局部值导致相对较低的相异性值，并且根据图7c的局部值导致相对较高的相异性值。在本实例中，由于相对较高的匹配度，图7b所示出的两个部分模式导致极低的相异性值730。
因此，假设当前码带位置是参考图上的相关位置，其中图7b所示出的部分模式是传感器布置相对于码带的最可能的当前位置。
最后，图8a至图8g示出典型的测量曲线，以说明所述方法相对于仅局部存在于码带的带方向上的码带附近的外部磁偶极场或对应的寄生干扰场的鲁棒性。
图8a和图8b示出在此所涉及的传感器布置的特性曲线800、805，其中，以相应单位[mm]相对于实际位置(x轴)绘制了使用所描述方法确定的位置(y轴)。这两个图还示出在确定的位置数据与实际位置数据之间出现的相对位置偏差的曲线变化810、815(每个以任意单位表示)。
图8a示出没有前面提及的干扰场的情况，而图8b示出存在干扰场的情况。通过比较两个特性曲线800、805可看出，干扰场对传感器布置的特性曲线800的影响相对较小或可忽略。
图8c至图8e示出已经在图6c中描绘的两个场矢量分量Bx和Bz的相位偏移曲线820、825，并且实际上在图8c中没有所谓的寄生干扰场，而在图8e中存在这种干扰场。在这种情况下，在干扰场的接触期间以所描述方式重新学习曲线变化825。应当注意，两个曲线820、825之间的差830基本上对应于图8d所示出的也借助于传感器布置检测到的干扰场的场路线835。
在图8f和图8g中，描绘了已经在图7d中示出的非类似性曲线840、845，并且实际上在图8f中不存在干扰场，而在图8g中存在干扰场，其中，在不受寄生干扰场扰动的情况下创建的(具有对应曲线变化的)参考图被用作创建非类似性曲线845的基础。在第一非类似性曲线840中，在码带的-25mm位置处出现非类似性值为零的最小值850(并且因此，类似性为最大值)，而在第二非类似性曲线中，在码带的-53mm和+55mm的两个位置处出现最小值855、860，但其中非类似性值为0.12。因此，即使在存在干扰场的情况下，也出现非类似性曲线845的曲线变化，这是完全可评估的并且产生绝对位置值。在仔细观察的情况下，甚至会选择相对靠近位置850的位置855，因为位置855处的最小值略高于位置860处的最小值。

Claims (14)

1.一种用于操作绝对测量位置检测系统的方法，所述绝对测量位置检测系统具有传感器布置(100)和具有非重复码区域的单磁道码对象(105)，其中，所述传感器布置(100)由基本上线性布置的多个磁场传感器(110)形成，所述方法的特征在于，所述传感器布置(100)相对于相应码对象(105)的相对位置是通过搜索部分模式(710、720)确定的，所述部分模式(710、720)基于包含磁场矢量分量(500、505)的磁曲线变化或磁模式的参考数据而与当前传感器检测到的部分模式(705、715)最类似，所述磁场矢量分量(500、505)的磁曲线变化或磁模式是针对整个码对象(105)由传感器根据所述码对象(105)上的位置检测到的。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在要比较的两个部分模式(705-720)之间搜索所述传感器布置(100)在所述码对象(105)上的所述两个部分模式之间的偏差形成最小值的位置。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述偏差形成为所述两个部分模式(705-720)之间的平方偏差。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述偏差形成为所述两个部分模式的对应值之间的差的绝对值之和。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述偏差借助于人工神经网络确定为由所述人工神经网络估计的所述两个部分模式的检测位置之间的距离的平方或绝对值。
6.如权利要求2至5中的一项所述的方法，其特征在于，针对所述整个码对象(105)查找要比较的所述两个部分模式(705-720)之间的所述偏差的最小值是基于相异性曲线(725)发生的。
7.如权利要求1至5中的一项所述的方法，其特征在于，在所述位置检测系统的操作期间，自动学习用作所述码对象(105)的参考数据的部分模式，所述部分模式一起描述磁场沿着所述单磁道码对象的路线。
8.如权利要求2至5中的一项所述的方法，其特征在于，所述位置检测系统的自诊断是基于所确定的要比较的所述两个部分模式之间的类似性的质量值来执行的。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述位置检测系统的操作期间，在对所述码对象(105)进行任何改变的情况下，则重新学习所学习的参考数据。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所学习的参考数据包括至少两个传感器检测到的磁场矢量分量(500、505)的值和相应的相位信息。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考数据被存储在参考表中或在参考图上。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，考虑到相位变化，根据由传感器检测到的并且相对于彼此相位偏移的至少两个磁场矢量分量(500、505)生成对应的位模式。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，由传感器检测到的至少两个相位偏移的磁场矢量分量(605、610)借助于线性积分变换尽可能好地进行与相位相关的匹配，以便由此生成对应的位模式。
14.一种绝对测量位置检测系统，其具有传感器布置(100)和具有非重复码区域的单磁道磁码对象(105)，其中，所述传感器布置(100)由基本上线性布置的多个磁场传感器(110)形成，所述绝对测量位置检测系统的特征在于，所述位置检测系统能根据前述权利要求中任一项所述的方法来操作。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10106479A1 (de) * 2001-02-13 2002-08-29 Asm Automation Sensorik Messte Magnetische Längemeßvorrichtung
CN101660891A (zh) * 2008-08-28 2010-03-03 S.N.R.鲁尔门斯公司 用于测量旋转的可移动部件的轴向移动的系统和方法
DE102011078861A1 (de) * 2011-07-08 2013-01-10 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer absoluten Position eines drehbaren Elements

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19513829C2 (de) 1995-04-12 1998-01-29 Itt Ind Gmbh Deutsche Vorrichtung und Verfahren zur Positionsbestimmung
DE19518664C2 (de) 1995-05-20 2003-02-13 Christian Rathjen Verfahren zur Bestimmung der Position zweier zueinander bewegbarer Körper
DE10123539B4 (de) * 2001-05-15 2008-07-17 Asm Automation Sensorik Messtechnik Gmbh Magnetische Längenmessvorrichtung
DE10209058B4 (de) 2002-03-01 2015-02-12 Cameron Gmbh Verfahren und Bitmuster zur Bestimmung einer kinematischen Messgröße
JP4782553B2 (ja) * 2005-11-28 2011-09-28 オークマ株式会社 アブソリュート位置検出装置
DE112013006849A5 (de) * 2013-03-19 2015-12-03 BALLUF GmbH Induktiver Wegmesssensor und Verfahren zu seinem Betrieb
DE102014224961A1 (de) 2014-12-05 2016-06-09 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung und Algorythmik zur radialen mechanisch absoluten Winkelbestimmung einer Welle
CN107209874B (zh) * 2014-12-16 2021-04-06 巴鲁夫公司 具有人工神经网络的非接触式位置/距离传感器及其操作方法
KR101671694B1 (ko) * 2015-08-19 2016-11-02 광주과학기술원 수소 센서의 제조방법 및 이에 의해 제조된 수소 센서
KR102550704B1 (ko) * 2018-05-25 2023-07-04 젠자이테크 게엠베하 절대값 인코더

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10106479A1 (de) * 2001-02-13 2002-08-29 Asm Automation Sensorik Messte Magnetische Längemeßvorrichtung
CN101660891A (zh) * 2008-08-28 2010-03-03 S.N.R.鲁尔门斯公司 用于测量旋转的可移动部件的轴向移动的系统和方法
DE102011078861A1 (de) * 2011-07-08 2013-01-10 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer absoluten Position eines drehbaren Elements

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