CN116194736A - 用于检查促动器的位置的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于检查机械元件在平移或旋转运动中的位置的装置(10)，该机械元件执行预定行程，该装置(10)设有：磁部件(4)，该磁部件(4)与要确定位置的机械元件成一体；以及固定磁传感器(3)，其中，该磁部件(4)有根据螺旋图案布置的至少一个磁元件。

Description

用于检查促动器的位置的装置

技术领域

本发明涉及一种用于检查机械元件在平移或旋转运动中的位置的装置。特别是，该装置适用于控制促动器的位置，优选是线性气动促动器。

通常，对通用系统进行控制等效于在其上施加所希望的行动。更具体地说，这包括限定控制器，该控制器能够处理来自反馈信号(该反馈信号由换能器产生)的信息。所有这些都可以用闭环控制系统的定义来概括，该闭环控制系统用于不同领域中的不同应用，特别是在与自动化领域相关的那些领域中。

为了建立闭环控制回路，选择要控制的变量是至关重要的，该变量与反馈信号密切相关，因此也与具有产生反馈信号的任务的传感器密切相关。

为了控制机械元件的运动，通常基于能够处理与元件自身的瞬时位置相关的信息的控制器来开发定位系统。因此，需要开发一种适用于控制位置的装置，包括但并不局限于合适的位置传感器。

背景技术

众所周知，在自动化领域中，位置传感器可以分成不同的宏观类别(例如根据类型或根据与机械元件的联接)。

根据类型，可以区分增量或绝对位置传感器。没有固有参照的增量位置传感器必须在每次启动时执行校准过程，以便重新分配零参照。另一方面，绝对位置传感器一旦执行了初始校准就总是能够检测到正确的测量结果，而不需要每次都从开始就重复该过程。

根据与机械元件的联接，接触传感器或非接触或“无接触”传感器根据最常见的Anglo-Saxon术语来定义。接触传感器(例如电位计)通常使用与机械系统联接的机构来执行测量，而无接触传感器(例如光学编码器或磁换能器)不提供在运动部件之间的直接接触，因此必须求助于更复杂的技术。不过，从机械角度来看，无接触传感器具有相当大的优点：在运动部件之间不存在接触因而导致不存在部件磨损，因此导致使用寿命当然比接触传感器更长(如果不是无限的话)。

本发明作为实施非接触磁传感器的实例，因此下文集中于无接触磁传感器，为了推断必要的信息，它必须能够与能产生磁场的部件通信。通常，磁场B→能够示意表示为矢量场。这样，它能够用场线表示，该场线在它们的各点处与各载体B→相切，各载体B→可分解成由参照笛卡尔术语来定义的三个主要笛卡尔分量B→_x、B→_y、B→_z，通常由位置传感器的方位来分配。因此，测量的变量是在传感器和磁部件之间的相对位置。为了测量它的相对位置，两个元件中的一个(不管是两个中的哪一个)必须合适地固定，以便识别用于运动中的部件的参照。

在设计阶段期间，由特定区域(它们必须在该区域中操作)来分配第一限制。在本专利的情况下，人们希望研究目标是气动定位系统的自动化的位置传感器，该气动定位系统包括具有使线性促动器运动的任务的定位装置。不过，理想是找到也能够适用于其它区域和其它应用的解决方案。特别是，主要目的是获得用于评估平移和旋转机械系统的位置的合适解决方案。

还已知，在气动自动化的特定领域中，传感器的开发遇到显著的缺点：通常要控制的机械系统的动态很高，且在开发阶段看到的约束很多。

主要技术问题在于，机械系统的控制将利用在4mA至20mA之间变化的电流信号来操作。因此，为了管理所有电部件的电源，必须使用小于4mA的电流值。这意味着使用的传感器的能量消耗必须足够低，与使用的其它元件的能量消耗一致。因此，安装能够仅在实际请求使用的情况下激活的传感器可能很有利，该传感器在其余时间内保持关闭。另一方面，当从消耗的角度来看这表示优点时，它意味着第二个技术问题：实际上必须采用绝对位置传感器，因为当使用增量位置传感器时，应当在每次点火时进行校准，因此失去了它先前确定的参照。另外，第三个技术问题在于，为了应对高机械性能，传感器也必须保证类似的动态响应，同时遵守上面概述的约束。

最后，用于气动定位系统的磁无接触传感器必须解决与测量的非线性相关的另一技术问题。这需要附加的限制，与可从传感器扣除的最大行程相关，这直接影响促动器的最大行程。

在US6909281B2中介绍了该技术的实例。特别是，该文献介绍了一种霍尔效应传感器，该霍尔效应传感器测量由特别设计的棒产生的磁场强度，该棒借助于集线器而定位在传感器所在的点处。场的形状是特定的，并设计成在机械系统的位置和场自身的强度之间建立线性关系。在现有文献中所述的解决方案的固有限制是不可能管理较长行程，因为磁场梯度的变化较小，这涉及在执行的测量中的重要的非线性。

因此，需要限定一种用于控制机械元件在平移或旋转运动中的位置的装置，更特别是，确定了一种用于检查促动器的位置的装置，该装置没有上述缺点。

发明内容

因此，本发明的一个目的是限定一种用于检查执行预定行程的机械元件在平移或旋转运动中的位置的装置，特别是一种用于检查促动器的位置的装置，优选但并不必须是线性气动促动器。该装置必须能够处理促动器的较长行程，且在任何情况下必须没有与根据已知技术的申请相关的缺点。

更特别是，本发明的控制装置对象可以包括磁无接触传感器，如根据现有技术的教导所述。

更通常是，该装置包括两个必要的元件：一个能够产生特定形状的磁场的部件以及对场自身敏感的传感器。

磁部件具有螺旋形状，能够是例如螺旋形状的柔性磁元件或者是非磁线性棒，以螺旋形状布置的多个磁元件插入该非磁线性棒中。最终，无论为磁部件选择什么解决方案，它都必须能够产生非常精确的场形状。

传感器自身并不是本发明的一部分，但是与磁部件组合，该传感器基于这样的技术，该技术集成了几个不同的霍尔效应传感器的作用，优选地压紧至单个电子板中，以便能够测量沿不同方向的磁场值。因此，传感器并不直接返回机械系统的瞬时位置，而是根据由各个霍尔效应传感器识别的不同方向而返回磁场强度值。

为此，还需要开发一种用于解码和处理来自多个霍尔效应传感器的信号的方法。这以能够处理由传感器发射的数据的专用解码算法的形式实现，最终推断所希望的变量，即感兴趣的机械系统的位置。

替代地，也能够使用对磁场敏感的其它类型传感器，例如MEMS传感器或磁阻传感器，它始终保持相同的解码算法，并特别注意符合上面介绍的性能和电子约束。

一个主要优点是，通过推断沿多个限定的方向的场强值，可以使用能够测量线性和角度位移的单个传感器。

因此，根据本发明的第一目的，介绍了一种用于检查机械元件在平移和旋转运动中的位置的装置，该装置执行预定行程，并有在后附的装置独立权利要求中阐述的特征。

根据本发明的另一目的，介绍了一种用于解码位置信号的方法，该方法有在后附的方法独立权利要求中阐述的特征。

上述设备的优选和/或特别有利的另外实施例将根据所附的从属权利要求中阐述的特征来介绍。

附图说明

下面将参考附图介绍本发明，附图表示了实施例的一些非限定实例，附图中：

图1表示了根据本发明的一个实施例用于检查位置的装置的各个部件的示意图，

图2是图1的磁部件的装配图，以及

图3是图1的装置的最终解决方案的示意图。

具体实施方式

现在参考上述附图，下文中，装置10介绍为用于检查机械元件在平移或旋转运动中的位置。该装置包括与要确定位置的机械元件成一体的磁部件4以及固定磁传感器3。

磁部件4必须能够产生特定的场形状。为了获得该结果，一种可能的解决方案是磁部件4包括设置有多个孔6的非磁材料(例如铝)的棒1，多个磁柱体2干涉地固定(胶合或嵌入)在所述多个孔6中，每个孔6有一个柱体2，其中，柱体2根据由场矢量B→标识的相同方向进行极化。

各个磁柱体2沿非磁棒1沿着螺旋图案布置。确定磁柱体沿螺旋的数量和布置方式以便获得在端部磁柱体2'、2”之间的磁场的角度位移，该角度位移等于足够大的角度，以便保证高效地解释这些值，例如在90°和270°之间的角度(在图中，必须注意，例如涉及的角度近似平坦)。因为在连续磁柱体之间的角度位移和距离能够任意实施，因此非磁棒1的长度也任意实施，它能够与促动器的行程成比例。

因此，可以说，利用该技术，不存在可测量的最大行程极限。为此，能够开发不同的非磁棒，该非磁棒总是设有磁柱体的螺旋，并根据要实际测量的行程而具有不同长度。

作为该解决方案的替代，磁部件可以有不同设计，只要它能够复制磁场的相同形状即可。实例可以是使用具有高磁特性的柔性材料，利用该柔性材料来复制由在先前所示情况下的磁柱体的布置所给出的螺旋形状。另外，根据另一实例，磁部件可以没有非磁棒，并包括多个小棱柱形磁体，这些小棱柱形磁体布置成在它们之间有相移角度，以便在这种情况下也重建螺旋轮廓。

必须选择合适地约束的、对磁场敏感的传感器3，以使得它能够沿几个常规限定的方向同时检测磁场。优选是，解决方案由三维磁传感器3来表示，该三维磁传感器3在它内部包含三个不同的霍尔效应传感器5，这三个霍尔效应传感器5彼此正交地布置，以便形成参照笛卡尔三维坐标系，并压紧在单个电子板中。这能够获得沿由参照三维坐标系限定的三个轴的磁场强度，该磁场强度由各个霍尔效应传感器5的方位来给出，该方位与传感器自身的空间方位完全连接。因此，传感器3并不直接返回位置值，而是返回沿三维坐标系的三个轴的三个场分量

因此，利用能够在多个方向上返回场强度的不同类型传感器也能够获得相同的结果。图3中表示了整个装置的示意图。

由于基于解码算法的特定方法，因此获得了机械元件的瞬时位置值的推断。该方法的目的是使得与磁场相关的量与在传感器和磁部件之间的相对位置相关联。最终，该方法包括以下步骤：

-检测与产生的磁场相关联的一个或多个量；

-使得机械元件的位置与关联磁场的量相关联。

为此，已经开发了两种不同的方法。第一种是基于对磁场力线的趋势的分析。这等效于对力线的斜率进行量化，该操作与各个场矢量B→的逐点倾斜角的计算一致，该场矢量B→与力线自身相切。为了避免对立体角的复杂考虑，必须确定力线在笛卡尔参照平面上投影的趋势，基于场的几何形状以及在传感器和磁部件之间的相对方位来选择。这意味着，通过选择与仍然先前选择的笛卡尔参照平面相对应的两个场分量，理论上能够通过利用反正切和利用由用户设置的比例因子K来修改它的趋势，以便确定表示与位置相关的力线斜率趋势的数学函数。例如，假设选择XY平面作为笛卡尔参照平面，那么使用从传感器推断的分量

和/>

它可以这样计算：

优点在于，考虑到由螺旋棒产生的磁场，所述数学函数是单调的，并很容易用直线插值。因此，一旦获得插值直线的方程，在机械系统的位置和力线的斜率之间就可采用线性关系。因此，通过利用逆公式，可以从磁场的笛卡尔分量返回至目标变量(机械元件的位置)。这样，非线性的问题显著减少(因为考虑线性曲线)。而且，由于测量的最佳可重复性，能够保证相同的位置值将始终对应于各斜率值。

通过使用磁阻传感器(该磁阻传感器测量磁场的总强度和它的倾斜角)，能够得出相同的结论，而不需要利用反正切函数来计算角度。

解码算法的第二种方法利用全部三个笛卡尔分量

实际上，通过假设相同的值，可以观察到如何在空间的任何点中都不重复/>

换句话说，通过使传感器3相对于磁部件4沿任何方向运动，尽管在任何情况下保持一定距离以便从测量中获得合适的值，但总是获得彼此不同的三维坐标值/>

这构成了相当大的优点，因为借助于合适地确定的查找表或者通过参考能够确定在各点处的场分量的精确值的数学函数，能够确定传感器和磁棒之间的正确相对位置。而且，通过利用该算法，由于在空间的任何点中都已知场的精确值，因此能够只通过沿要检测的运动的方向推断机械系统的精确位置而区分小位移或振动的存在(该小位移或振动的存在在实际情况下是不可避免的)。当系统只能够作用和控制一个轴但是在控制之外甚至沿其它方向也发生小运动时，这特别有利。/>

除了如上所述的本发明实施例之外，应当理解，存在很多其它变化形式。还必须理解，所述实施例只是示例，且既不限制本发明的目的，也不限制它的应用，也不限制它的可能的构型。相反，尽管上面的说明使得本领域技术人员至少能够实施本发明。根据本发明的示例设置，必须理解，在不脱离如附加权利要求中确定的本发明目的的情况下，可以设想所述的部件的很多变化形式。

Claims (13)

1.一种用于检查机械元件在平移或旋转运动中的位置的装置(10)，该机械元件执行预定行程，该装置(10)包括：磁部件(4)，该磁部件(4)与要确定位置的机械元件成一体；以及固定磁传感器(3)，该装置(10)的特征在于，该磁部件(4)包括根据螺旋模式布置的至少一个磁元件。

2.根据权利要求1所述的装置(10)，其中：该磁部件(4)包括非磁材料的棒(1)，该棒(1)设有多个孔(6)，且多个磁柱体(2)干涉地固定在所述多个孔(6)中，每个孔(6)有一个柱体(2)，该柱体(2)是根据相同方向极化的磁柱体(2)。

3.根据权利要求2所述的装置(10)，其中：各个磁柱体(2)沿非磁棒(1)沿着螺旋模式布置。

4.根据权利要求3所述的装置(10)，其中：在端部磁柱体(2'、2”)之间的磁场的角度相移等于在90°和270°之间的角度。

5.根据权利要求3或4所述的装置(10)，其中：非磁材料的棒(1)的长度与促动器的预定行程成比例。

6.根据权利要求1所述的装置(10)，其中：磁部件(4)包括多个小棱柱形磁体。

7.根据权利要求1所述的装置(10)，其中：磁部件(4)由具有磁特性的柔性材料制成，并有螺旋模式。

8.根据前述任意一项权利要求所述的装置(10)，其中：磁传感器(3)是三维的，并包括在内部的三个不同的霍尔效应传感器(5)，该霍尔效应传感器(5)布置成在它们之间正交，以便形成笛卡尔三维坐标系。

9.根据权利要求8所述的装置(10)，其中：磁传感器(3)返回沿三维坐标系的三个轴的三个场分量

10.根据权利要求1至7中任意一项所述的装置(10)，其中：磁传感器(3)是磁阻传感器。

11.一种用于通过根据权利要求1至10中任意一项所述的装置(10)来解码位置信号的方法，包括以下步骤：

a.检测与产生的磁场相关的一个或多个量，以及

b.使得机械元件的位置与和磁场相关的一个或多个量相关联。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，步骤a包括以下步骤:

a1.确定表示磁场的通量线斜率的趋势的数学函数；

a2.导出数学函数的插值直线的方程，以及

其中，步骤b包括使用插值直线的方程的逆公式来获得机械元件的位置的步骤。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，步骤a包括以下步骤：

a3.确定查找表或数学函数，所述查找表或数学函数能够确定在各点处的场的分量的精确值。

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