TWI689704B - Magnetic position sensing device and method - Google Patents
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Abstract
Description
本案係有關位置感知技術,尤指一種磁性位置感知裝置與方法。 This case is about position sensing technology, especially a magnetic position sensing device and method.
高精度位置檢知元件包括光學尺與磁性尺等,其廣泛應用於精密機械產業(如工具機)以及智慧製造產業(如精密機械手臂)等,其中因應加工設備常需在惡劣環境進行產品加工,磁性尺相較光學尺之抗污染能力佳且結構簡單,近年來高階磁性尺研發日益積極,逐漸有取代中階光學尺市場趨勢。 High-precision position detection components include optical scales and magnetic scales, etc., which are widely used in the precision machinery industry (such as machine tools) and smart manufacturing industries (such as precision mechanical arms), etc., where processing equipment often requires product processing in harsh environments Compared with the optical ruler, the magnetic ruler has better anti-pollution ability and simple structure. In recent years, the research and development of high-end magnetic ruler has become more and more active, and it has gradually replaced the market of middle-order optical ruler.
然而,傳統磁性尺遭遇磁極寬度微細化瓶頸,以及電壓相位差解析圖案位置因組裝控制造成檢知穩定度問題,致使一般磁性尺精度不高且穩定性不佳,另一方面,充磁耗時問題也使高階磁性尺更不易於長尺寸化(Scale up)。 However, the conventional magnetic ruler has encountered a bottleneck in miniaturizing the magnetic pole width and the detection stability of the voltage phase difference analysis pattern position due to assembly control, resulting in a general magnetic ruler with low accuracy and poor stability. On the other hand, magnetization takes time The problem also makes the high-order magnetic ruler less prone to scale up.
因此,如何有效改善充磁耗時、安裝精度不易控制以及生產長度受限等問題,實為目前業界所亟待解決的課題之一。 Therefore, how to effectively improve the magnetization time-consuming, the installation accuracy is difficult to control, and the production length is limited, etc., is really one of the issues that the industry urgently needs to solve.
為克服習知技術之缺失,本案係提供一種磁性位置感知裝置,係包括:一激磁元件,係產生一交變磁場;一感應尺,係形成有圖案,且該圖案與激磁元件的相對位置變化產生感應電壓,該圖案係週期性波形圖案;以及一位置解析元件,係擷取該感應電壓,該位置解析元件係連接該感應尺,以依據該感應電壓解析出該激磁元件位於該感應尺上的位置。 In order to overcome the deficiency of the conventional technology, this case provides a magnetic position sensing device, which includes: an exciting element, which generates an alternating magnetic field; and an inductive ruler, a pattern is formed, and the relative position of the pattern and the exciting element changes To generate an induced voltage, the pattern is a periodic waveform pattern; and a position analysis element to capture the induced voltage, the position analysis element is connected to the sensing ruler to resolve the excitation element on the sensing ruler based on the induced voltage s position.
本案另提供一種磁性位置感知方法,係包括:於一感應尺上形成圖案;令一激磁元件產生一交變磁場;利用該感應尺的圖案與激磁元件的相對位置變化產生感應電壓,該圖案係週期性波形圖案;以及利用一位置解析元件擷取該感應電壓,該位置解析元件係連接該感應尺,並依據該感應電壓解析出該激磁元件位於該感應尺上的位置。 This case also provides a magnetic position sensing method, which includes: forming a pattern on a sensing ruler; causing an exciting element to generate an alternating magnetic field; using the relative position change of the pattern of the sensing ruler and the exciting element to generate an induced voltage, the pattern is A periodic waveform pattern; and using a position analyzing element to capture the induced voltage, the position analyzing element is connected to the sensing ruler, and the position of the excitation element on the sensing ruler is resolved based on the sensing voltage.
由上述可得知,本案利用感應尺之圖案與激磁元件的相對位置變化產生感應電壓,進而以電壓值解析位置之技術手段,提高位置檢出精度與穩定度,以及金屬線圖案轉印製程易於長尺寸化(Scale up)等優點,以解決現有技術採用磁極圖案感知以及電壓相位差解析所遭遇的充磁耗時、安裝精度不易控制以及生產長度受限之問題。 It can be seen from the above that the present case uses the relative position change of the pattern of the sensing ruler and the exciting element to generate an induced voltage, and then uses the voltage value to analyze the position to improve the position detection accuracy and stability, and the metal wire pattern transfer process is easy Advantages such as scale up can solve the problems of time-consuming magnetization, difficult installation accuracy control, and limited production length encountered in the prior art using magnetic pole pattern sensing and voltage phase difference analysis.
1:磁性位置感知裝置 1: magnetic position sensing device
10:激磁元件 10: Excitation element
20:感應尺 20: Induction ruler
21:正面 21: Positive
22:反面 22: reverse side
30,30’:圖案 30,30’: pattern
31:方波圖形 31: Square wave graphics
31’:第一圖形 31’: the first graphic
32:第二圖形 32: Second graphic
40:位置解析元件 40: Position resolution element
41:感應電壓訊號處理單元 41: Induced voltage signal processing unit
42:感應電壓解析位置單元 42: Inductive voltage analysis position unit
61:正方波區域 61: square wave area
62:負方波區域 62: negative square wave area
63:交變磁場 63: alternating magnetic field
101:導磁部 101: Magnetic Conduction Department
102:繞線部 102: Winding Department
103:交流電源供應單元 103: AC power supply unit
104:第一磁極部 104: first magnetic pole
105:第二磁極部 105: second magnetic pole
106:開口 106: opening
311:處理電壓 311: Processing voltage
311’:第一處理電壓 311’: First processing voltage
313,313’:第一峰谷水平部
313,313’:
314,314’:第一垂直部 314,314’: the first vertical section
315,315’:第一峰頂水平部 315,315’: horizontal part of the first peak
321:第二處理電壓 321: Second processing voltage
323:第二峰谷水平部 323: Second Peak Valley Level
324:第二垂直部 324: Second vertical section
325:第二峰頂水平部 325: second peak level
411:濾波器 411: filter
412:包絡檢波器 412: Envelope detector
511:第一非轉折曲線區段 511: The first non-turning curve section
512:第一轉折曲線區段 512: first turning curve section
513:第一上升線段 513: The first ascending line segment
514:第一下降線段 514: first descending line
515:第一山峰區域 515: First Mountain Area
516:第一低谷區域 516: the first trough area
521:第二非轉折曲線區段 521: Second non-turning curve section
522:第二轉折曲線區段 522: Second turning curve section
523:第二上升線段 523: Second rising line
524:第二下降線段 524: Second descending line
525:第二山峰區域 525: Second Mountain Area
526:第二低谷區域 526: Second trough area
B:波峰轉折區 B: Crest turning zone
X:距離 X: distance
VS,VS1,VS2:感應電壓 V S , V S1 , V S2 : induced voltage
VP,VP1,VP2:處理電壓 V P , V P1 , V P2 : processing voltage
S71~S74,S81~S82:步驟 S71~S74, S81~S82: Steps
第1圖為本案之磁性位置感知裝置之第一實施例之示意圖;第2圖為本案之磁性位置感知裝置之第一實施例之激磁元件之示意圖;第3圖為本案之磁性位置感知裝置之第一實施例之位置解析元件之示意圖; 第4圖為本案之磁性位置感知裝置之第一實施例之感應電壓訊號處理單元之示意圖;第5A圖為本案之磁性位置感知裝置之第一實施例之感應尺的圖案之示意圖;第5B~5C圖為本案之磁性位置感知裝置之第一實施例之感應電壓進行訊號處理之示意圖;第5D圖為本案之磁性位置感知裝置之第一實施例之磁性位置感知圖之示意圖;第5E圖為本案之磁性位置感知裝置之第一實施例之方波圖形與處理電壓的關係之示意圖;第5F圖為本案之磁性位置感知裝置之第一實施例之處理電壓之轉折處放大之示意圖;第6A圖為本案之磁性位置感知裝置之第二實施例之感應尺的圖案之示意圖;第6B圖為本案之磁性位置感知裝置之第二實施例之磁性位置感知圖之示意圖;第6C圖為本案之磁性位置感知裝置之第二實施例之分析區段之示意圖;第7圖為本案之磁性位置感知方法之第一實施例之流程示意圖;以及第8圖為本案之磁性位置感知方法之第一實施例之步驟S74之流程示意圖。 Fig. 1 is a schematic diagram of the first embodiment of the magnetic position sensing device of the present case; Fig. 2 is a schematic diagram of the exciting element of the first embodiment of the magnetic position sensing device of the present case; Fig. 3 is a diagram of the magnetic position sensing device of the present case A schematic diagram of the position resolution element of the first embodiment; Figure 4 is a schematic diagram of the induced voltage signal processing unit of the first embodiment of the magnetic position sensing device of this case; Figure 5A is a schematic diagram of the pattern of the sensing ruler of the first embodiment of the magnetic position sensing device of this case; FIG. 5C is a schematic diagram of signal processing of the induced voltage of the first embodiment of the magnetic position sensing device of this case; FIG. 5D is a schematic diagram of the magnetic position sensing map of the first embodiment of the magnetic position sensing device of this case; FIG. 5E is A schematic diagram of the relationship between the square wave pattern and the processing voltage of the first embodiment of the magnetic position sensing device of this case; FIG. 5F is an enlarged schematic diagram of the turning point of the processing voltage of the first embodiment of the magnetic position sensing device of this case; 6A The figure is a schematic diagram of the pattern of the induction ruler of the second embodiment of the magnetic position sensing device of this case; FIG. 6B is a diagram of the magnetic position sensing diagram of the second embodiment of the magnetic position sensing device of this case; FIG. 6C is the diagram of this case A schematic diagram of the analysis section of the second embodiment of the magnetic position sensing device; FIG. 7 is a schematic flowchart of the first embodiment of the magnetic position sensing method of this case; and FIG. 8 is a first implementation of the magnetic position sensing method of this case An example flow chart of step S74.
以下藉由特定的具體實施例說明本案之實施方式,熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本案之其他優點及功效。 The following describes the implementation of this case by specific specific embodiments, and those skilled in the art can easily understand other advantages and effects of this case by the contents disclosed in this specification.
須知,本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等,均僅用以配合說明書所揭示之內容,以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀,並非用以限定本案可實施之限定條件,故不具技術上之實質意義,任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整,在不影響本案所能產生之功效及所能達成之目的下,均應仍落在本案所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。同時,本說明書中所引用之如「第一」及「第二」等之用語,亦僅為便於敘述之明瞭,而非用以限定本案可實施之範圍,其相對關係之改變或調整,在無實質變更技術內容下,當視為本案可實施之範疇。 It should be noted that the structure, ratio, size, etc. shown in the drawings of this specification are only used to match the contents disclosed in the specification, for those familiar with this skill to understand and read, not to limit the implementation of this case. Limited conditions, so it has no technical significance, any modification of structure, change of proportional relationship or adjustment of size should still fall within the disclosure of this case without affecting the efficacy and purpose of this case. The technical content can be covered. At the same time, the terms such as "first" and "second" cited in this specification are only for the convenience of description, not to limit the scope of this case, the change or adjustment of the relative relationship. Without substantial changes in technical content, it should be regarded as the scope of this case.
第1圖係本案之磁性位置感知裝置1之第一實施例之示意圖。如圖所示,該磁性位置感知裝置1係包括激磁元件10,係被施加交流電源以產生交變磁場;感應尺20,係形成有圖案30,且圖案30與激磁元件10的相對位置變化產生感應電壓;以及位置解析元件40,係與感應尺20連接,以讀取該感應尺20所產生之該感應電壓,並依據該感應電壓解析出激磁元件10位於感應尺20上的位置。
FIG. 1 is a schematic diagram of the first embodiment of the magnetic
於一實施例中,感應尺20的圖案30係由金屬線構成。
In one embodiment, the
於一實施例中,感應尺20的圖案30係為週期性波形圖案,且該週期性波形圖案的兩端皆與位置解析元件40連接,以供位置解析元件40讀取該圖案30與激磁元件10的相對位置變化產生之該感應電壓。
In one embodiment, the
第2圖係本案之該第一實施例之激磁元件10之側示圖。如圖所示,激磁元件10係包括導磁部101、繞線部102、交流電源供應單元103、第一磁極部104、第二磁極部105及開口106。
FIG. 2 is a side view of the
導磁部101係呈具開口106之環狀,第一磁極部104及第二磁極部105係位於導磁部101之兩端,開口106係位於第一磁極部104及第二磁極部105之間,且繞線部102係為線圈結構並纏繞於導磁部101上。同時,激磁元件10係透過開口106在感應尺20的圖案30上移動,或激磁元件10係予固定而使感應尺20在開口106中移動。
The magnetic
交流電源供應單元103施加交流電源至繞線部102產生該交變磁場,以使感應尺20的圖案30與激磁元件10的相對位置變化而產生該感應電壓。
The alternating-current
第3圖係本案之磁性位置感知裝置1之位置解析元件40之示意圖。如圖所示,位置解析元件40係包括感應電壓訊號處理單元41,係與感應尺20上的圖案30連接,以讀取圖案30與激磁元件10的相對位置變化產生的該感應電壓VS,並對該感應電壓VS進行濾波及檢波的訊號處理,以得到處理電壓VP;以及感應電壓解析位置單元42,係與感應電壓訊號處理單元41連接,以接收該處理電壓VP,並依據該處理電壓VP之週期對應於X座標上之長度等於感應尺20上的圖案30之週期對應於X座標上之距離的關係,以解析出該激磁元件10位於該感應尺20上的位置。
FIG. 3 is a schematic diagram of the
第4圖係本案之感應電壓訊號處理單元41第一實施例之示意圖。如圖所示,感應電壓訊號處理單元41係包括濾波器411,係對該感應電壓VS進行濾波,以將該感應電壓VS中的交流電源之載波頻率過濾掉;以及包絡檢波器
(envelope detector)412,係與濾波器(filter)411連接,以將過濾掉載波頻率的感應電壓VS進行檢波,以得到該處理電壓VP。
FIG. 4 is a schematic diagram of the first embodiment of the induced voltage
於本實施例中,濾波器411係為低通濾波器。
In this embodiment, the
於本實施例中,感應電壓訊號處理單元41更包括:第一放大器(amplifier,未圖示),該第一號放大器的輸出端連接於濾波器411的輸入端,該第一放大器的輸入端與感應尺20的圖案30連接,以自感應尺20取得圖案30與激磁元件10的相對位置變化所產生的感應電壓,並將該感應電壓進行訊號放大後輸出至濾波器411中,但不以此為限。
In this embodiment, the induced voltage
於本實施例中,感應電壓訊號處理單元41更包括:位準偏移器(level shifter,未圖示),係與包絡檢波器412連接,並將完成濾波及檢波之訊號處理的處理電壓VP進行位準偏移之處理,以取得該處理電壓VP於後續工作所需的位準(此處係指電壓位準);以及第二放大器(未圖示),係與該位準偏移器連接,以將完成位準偏移處理的處理電壓VP放大輸出至感應電壓解析位置單元42,但不以此為限。
In this embodiment, the induced voltage
於本實施例中,該位置解析元件40更包括:類比數位轉換器(analog digital converter,未圖示),係位於感應電壓訊號處理單元41與感應電壓解析位置單元42之間,以將感應電壓訊號處理單元41所得該處理電壓VP轉換成數位訊號的處理電壓VP並傳送給感應電壓解析位置單元42,但不以此為限。
In this embodiment, the
第5A圖係本案之感應尺20之圖案30第一實施例之示意圖。如圖所示,該第一實施例之圖案30係為方波圖形31且只形成在第1圖所示感應尺20之正面21或與正面21相對的反面22的其中一面,方波圖形31係由複數第一峰谷水平部313、複數第一垂直部314及複數第一峰頂水平部315所組成,且方波圖
形31的線寬為1mm,各該第一垂直部314之間的線距(A)為4mm,而方波圖形31之週期(TD)對應於X座標上之距離為8mm,且方波圖形31之開口朝下的區域為正方波區域61而開口朝上的區域為負方波區域62。
FIG. 5A is a schematic diagram of the first embodiment of the
第5B圖係本發明之位置解析元件40解析圖案30與激磁元件10的相對位置變化產生的第一實施例的感應電壓的波形示意圖。如圖所示,激磁元件10在感應尺20上移動距離△X後,進而使感應尺20上的圖案30與激磁元件10的相對位置變化產生對應的該感應電壓之變化(波形的振幅改變)。因此,感應電壓VS1到感應電壓VS2的關係為激磁元件10在感應尺20上移動距離△X的關係,且由於感應電壓包含有交流電源103之載波頻率的振幅,故感應電壓VS1移動距離△X到感應電壓VS2會有振幅的變化。
FIG. 5B is a schematic waveform diagram of the induced voltage of the first embodiment caused by the relative position change of the
第5C圖係為第5B圖中的感應電壓經由位置解析元件40解析後所得到的處理電壓之示意圖。如圖所示,具有振幅變化的感應電壓VS1及VS2經由感應電壓訊號處理單元41進行濾波及檢波的訊號處理後,得到沒有該載波頻率的處理電壓VP1及VP2,由於該處理電壓是對應該感應電壓,因此處理電壓VP1到處理電壓VP2的變化△V關係亦為該△X距離的變化。
FIG. 5C is a schematic diagram of the processed voltage obtained after the induced voltage in FIG. 5B is analyzed by the
激磁元件10產生該交變磁場後,經由該感應電壓訊號處理單元41對各該圖案30與激磁元件10的相對位置變化產生的該感應電壓VS進行濾波及檢波之訊號處理,以取得如第5D圖所示呈類三角波的該處理電壓311後,感應電壓解析位置單元42係擷取第5D圖所示的該呈類三角波的處理電壓311的所有區段作為分析區段,並將該分析區段的處理電壓之週期(TL)對應於X座標上之長度,以方波圖形31之週期(TD)對應於X座標上之距離單位表示,再令該分析區
段的處理電壓隨該距離單位的變化即為激磁元件10在感應尺20上的移動距離,進而從該分析區段的中解析出該激磁元件10位於該感應尺20上的位置。
After the
需理解的是,由於處理電壓VP1對應感應電壓VS1,而感應電壓VS1的變化相對於該激磁元件10在圖案30上移動的距離,因此,第5D圖所示的處理電壓的週期(TL)對應於X座標上之長度係以圖案30的週期(TD)對應於X座標上的距離單位表示,X=S×TL+X0=S×TL+(Vt-V0)/m,其中,X為激磁元件10在感應尺20上的位置,S為分析區段的週期數(0、0.5、1、1.5、...),TL為分析區段之週期的距離,X0為第S週期處理電壓至X的距離,Vt為處理電壓值,V0為第S週期線性起始電壓值,m為(X,Vt)的斜率值。
It should be understood that since the processing voltage V P1 corresponds to the induced voltage V S1 , and the change in the induced voltage V S1 is relative to the distance that the
第5E圖係本案之第一實施例之感應尺20上的方波圖形31與處理電壓311的關係之示意圖。如圖所示,方波圖形31與激磁元件10的相對位置變化產生對應類三角波形的處理電壓311,第5F圖所示為類三角波形的處理電壓311於波峰與波谷轉折區(如第5E圖所示波峰轉折區B)呈現類圓弧狀。
FIG. 5E is a schematic diagram of the relationship between the
第6A圖係本案之磁性位置感知裝置1之第二實施例之圖案30’之示意圖。如圖所示,本實施例與第一實施例之差異在於圖案30’,故以下將說明相異處,而不再贅述相同處。本實施例之圖案30’係包含第一圖形31’及第二圖形32,第一圖形31’係形成在第1圖所示感應尺20之正面21上,而第二圖形32係形成在第1圖所示感應尺20之反面22上,其中,該第一圖形31’及第二圖形32係位於同一水平線上,且第一圖形31’及第二圖形32的圖形相同並彼此相差1/2線距(A)或1/4週期(TD),其中,第一圖形31’係由複數第一峰谷水平部313’、複數第一垂直部314’及複數第一峰頂水平部315’所組成的方波圖形,第二圖形32係
由複數第二峰谷水平部323、複數第二垂直部324及複數第二峰頂水平部325所組成的方波圖形。
FIG. 6A is a schematic diagram of the
該第二實施例的第一圖形31’與激磁元件10的相對位置變化產生第一感應電壓及第二圖形32與激磁元件10的相對位置變化產生第二感應電壓後,各該感應電壓再經由感應電壓訊號處理單元41的處理,得到如第6B圖所示位於同一水平線且彼此相差1/4週期的兩個呈類三角波的處理電壓,第一處理電壓311’係對應第一圖形31’而第二處理電壓321係對應第二圖形32,第一處理電壓311’及第二處理電壓321皆呈類三角波之波形,由第6A圖所示可知,第一圖形31’及第二圖形32彼此相差1/2線距(A)或1/4週期(TD),因此,第一處理電壓311’與第二處理電壓321之間亦彼此相差1/4週期(TD)。
After the relative position of the first pattern 31' and the
第一處理電壓311’的第一非轉折曲線區段511及第二處理電壓321的第二非轉折曲線區段521的波形為非反轉部,故斜率趨近定值,第一處理電壓311’的第一轉折曲線區段512及第二處理電壓321的第二轉折曲線區段522的波形為反轉部,故斜率會因正負斜率交換而無法趨近定值。第一非轉折曲線區段511係包含第一上升線段513及第一下降線段514,第二非轉折曲線區段521係包含第二上升線段523及第二下降線段524,第一轉折曲線區段512係包含第一山峰區域515及第一低谷區域516,第二轉折曲線區段522係包含第二山峰區域525及第二低谷區域526。
The waveforms of the first
接著,利用感應電壓解析位置單元42扣除第一處理電壓311’的第一山峰區域515與第一低谷區域516,只擷取第一上升線段513與第一下降線段514,同樣地,感應電壓解析位置單元42扣除第二處理電壓321的第二山峰區域525與第二低谷區域526,只擷取第二上升線段523與第二下降線段524(如第6B
圖之粗線段所示),以令第一處理電壓311和第二處理電壓321的所有上升線段與下降線段形成如第6C圖所示的正反交錯三角波的分析區段,並將該分析區段的處理電壓之週期(TL)對應於X座標上之長度,以第一圖形31’或第二圖形32之週期(TD)對應於X座標上的距離單位表示,以令該分析區段的處理電壓隨該距離單位的變化即為激磁元件10在感應尺20上的移動距離,以完成如第6C圖所示的位置感知波形圖,進而從該分析區段的中解析出該激磁元件10位於該感應尺20上的位置。
Next, the induced voltage
需理解的是,由於第一圖形31’係對應第一處理電壓311’而第二圖形32係對應第二處理電壓321,因此,第6C圖所示的處理電壓之週期(TL)對應於X座標的長度係以第一圖形31’或第二圖形32的週期(TD)對應於X座標上的距離單位表示。
It should be understood that, since the
因感應電壓解析位置單元42只擷取斜率趨近定值的非轉折曲線區段511及521,因此,該第二實施例的圖案30’相較於該第一實施例的圖案30更能有效提高激磁元件10之位置感知的準確度,其中,在該第二實施例中,回到第6A圖,當第一圖形31’及第二圖形32的週期(TD)對應於X座標上的距離為8mm、線距(A)為4mm及線寬為1mm,且第一圖形31’及第二圖形32兩者錯位2mm(TD或A)時,從第一處理電壓311’與第二處理電壓321之非轉折曲線區段的分析區段中,可取得激磁元件10之位置感知的最佳往覆精度誤差範圍及定位精度,其最佳往覆精度誤差範圍為±0.003mm及最佳定位精度為0.01mm。
Since the induced voltage
在該第二實施例中第6C圖所示,感應電壓解析位置單元42更包括提供位置換算演算法直接換出激磁元件10在感應尺20上的位置(X),其中,X=S×1/2(TL)+X0=S×1/2(TL)+(Vt-V0)/m,其中,X為激磁元件10在感應尺20上的位置,
S為分析區段的週期數(0、0.5、1、1.5,...),TL為分析區段之週期的距離,X0為第S週期處理電壓至X的距離,Vt為處理電壓值,V0為第S週期線性起始電壓值,m為(X,Vt)的斜率值,其位置換算演算法眾多,不以上述為限。計算經過幾個週期TL,可得知S×1/2(TL),由三角波的上升區段與下降區段已知斜率值m,第S週期線性起始電壓值V0為已知,量測到處理電壓值Vt後,可運算出第S週期感應電壓至X的距離X0,藉此可求出激磁元件10在感應尺20上的位置X。
As shown in FIG. 6C in the second embodiment, the induced voltage
第7圖係本案之磁性位置感知方法之第一實施例(亦即第5A圖單面圖案尺)之流程示意圖。如圖所示,係包括下列步驟:在步驟S71中,於一感應尺20上形成圖案30;在步驟S72中,令一激磁元件10產生一交變磁場;在步驟S73中,利用感應尺20的圖案30與激磁元件10的相對位置變化產生感應電壓;以及在步驟S74中,利用一位置解析元件40擷取該感應電壓,並依據該感應電壓解析出該激磁元件10位於該感應尺20上的位置。
FIG. 7 is a schematic flowchart of the first embodiment of the magnetic position sensing method of the present case (that is, the single-sided pattern ruler in FIG. 5A). As shown in the figure, it includes the following steps: in step S71, a
該步驟S72係令一交流電源供應單元103施加交流電源至該激磁元件10產生該交變磁場。
In step S72, an AC
第8圖係該步驟S74的步驟流程圖。如圖所示,係包括下列步驟:在步驟S81中,令一感應電壓訊號處理單元41向該感應尺20讀取該圖案30與激磁元件10的相對位置變化產生的該感應電壓VS,並對該感應電壓VS進行濾波及檢波的訊號處理,以得到處理電壓VP;以及在步驟S82中,令一感應電壓解析位置單元42讀取該處理電壓VP,依據該處理電壓之週期對應於X座標上之長度等於感應尺20上的圖案30之週期對應於X座標上之距離的關係,以從該處理電壓中解析出該激磁元件10位於該感應尺20上的位置。
FIG. 8 is a flowchart of the step S74. As shown in the figure, it includes the following steps: In step S81, an induced voltage
於本實施例中,該步驟S81係包括:利用低通濾波器(亦即第4圖的濾波器411)對該感應電壓進行濾波,以將該感應電壓VS中的該交流電源之載波頻率過濾掉;利用包絡檢波器(亦即第4圖的包絡檢波器412)將過濾掉該載波頻率的感應電壓VS進行檢波,以得到該處理電壓VP。
In this embodiment, the step S81 includes: filtering the induced voltage with a low-pass filter (that is, the
於第一實施例中,該步驟S71係於該感應尺20的正面21或與正面21相對的反面22的其中一面上形成方波圖形31的圖案30;使該步驟S81中的感應電壓訊號處理單元41向該感應尺20讀取方波圖形31與激磁元件10的相對位置變化產生的該感應電壓,並對該感應電壓VS進行濾波及檢波的訊號處理,以取得呈類三角波的該處理電壓311;以及使該步驟S82中的感應電壓解析位置單元42讀取該呈類三角波的處理電壓311,及令該呈類三角波的處理電壓311之所有區段為分析區段,並依據該處理電壓之週期對應於X座標上之長度等於感應尺20上的方波圖形31之週期對應於X座標上之距離的關係,將該分析區段的處理電壓之週期(TL)對應於X座標上長度以方波圖形31之週期(TD)對應於X座標上的距離單位表示,以完成如第5D圖所示的位置感知波形圖,並令該分析區段的處理電壓隨該距離單位的變化即為激磁元件10在感應尺20上的移動距離,進而從該分析區段中解析出激磁元件10位於感應尺20上的位置。
In the first embodiment, the step S71 is to form the pattern 30 of the square wave pattern 31 on one of the front surface 21 of the sensing scale 20 or the opposite surface 22 opposite to the front surface 21; the induced voltage signal in the step S81 is processed The unit 41 reads the induced voltage generated by the change in the relative position of the square wave pattern 31 and the exciting element 10 from the sensing ruler 20, and performs signal processing of filtering and detecting the induced voltage V S to obtain the processing in the form of a triangular wave Voltage 311; and the induced voltage analysis position unit 42 in step S82 reads the processing voltage 311 of the triangular wave-like processing, and makes all sections of the processing voltage 311 of the triangular wave-like processing as analysis sections, and according to the processing The period of the voltage corresponds to the relationship that the length on the X coordinate is equal to the period of the square wave pattern 31 on the induction scale 20 corresponds to the distance on the X coordinate, and the period (T L ) of the processing voltage of the analysis section corresponds to the X coordinate The upper length is expressed by the distance unit on the X coordinate corresponding to the period (T D ) of the square wave pattern 31 to complete the position-aware waveform shown in FIG. 5D, and the processing voltage of the analysis section varies with the distance unit The change of is the moving distance of the
本案復提供磁性位置感知方法之第二實施例(亦即第6A圖雙面圖案尺),本實施例與前述之第一實施例之差異在於圖案30’,故以下將說明相異處,而不再贅述相同處。該步驟S71係於該感應尺20的正面21及反面22上各形成具有同一水平線上的圖案,各該圖案係為方波圖形的第一圖形31’及第二圖形32且彼此相差1/2線距或1/4週期(如第6A圖所示);使該步驟S81中的該感應電壓訊號處理單元41對各該圖案與激磁元件10的相對位置變化產生的該感應電壓進
行該訊號處理,以取得位於同一水平線且彼此相差1/4週期的兩個呈類三角波的該處理電壓(即第一處理電壓311’及第二處理電壓321);以及使該步驟S82中的感應電壓解析位置單元42讀取該兩個呈類三角波的處理電壓(即第一處理電壓311’及第二處理電壓321),並擷取該兩個呈類三角波的處理電壓(即第一處理電壓311’及第二處理電壓321)的非轉折曲線區段(即第一非轉折曲線區段511及第二非轉折曲線區段521),以得到正反交錯三角波的分析區段(如第6C圖所示),並依據該處理電壓之週期對應於X座標上之長度等於感應尺20上的第一圖形31’或第二圖形32之週期對應於X座標上之距離的關係,將該分析區段的處理電壓之週期(TL)對應於X座標上長度以第一圖形31’或第二圖形32之週期(TD)對應於X座標上的距離單位表示,以完成如第6C圖所示的位置感知波形圖,並令該分析區段的處理電壓隨該距離單位的變化即為激磁元件10在感應尺20上的移動距離,進而從該分析區段中解析出激磁元件10位於感應尺20上的位置。
This case provides a second embodiment of the magnetic position sensing method (that is, the double-sided pattern ruler in FIG. 6A). The difference between this embodiment and the first embodiment described above is the
於該方法之第一實施例(亦即第5A圖單面圖案尺)時,該步驟S82更包括提供一位置換算演算法從該位置感知波形圖上直接換出激磁元件10在感應尺20上的位置(X),其中,X=S×TL+X0=S×TL+(Vt-V0)/m,其中,X為激磁元件10在感應尺20上的位置,S為分析區段的週期數(0、0.5、1、1.5、...),TL為分析區段之週期的距離,X0為第S週期處理電壓至X的距離,Vt為處理電壓值,V0為第S週期線性起始電壓值,m為(X,Vt)的斜率值,其位置換算演算法眾多,不以上述為限。
In the first embodiment of the method (that is, the single-sided pattern ruler in FIG. 5A), the step S82 further includes providing a replacement arithmetic algorithm to directly swap out the
於該方法之二實施例(亦即第6A圖雙面圖案尺)時,該步驟S82更包括提供一位置換算演算法從該位置感知波形圖上直接換出激磁元件10在感應尺20上的位置(X),其中,X=S×1/2(TL)+X0=S×1/2(TL)+(Vt-V0)/m,其中,X為激
磁元件10在感應尺20上的位置,S為分析區段的週期數(0、0.5、1、1.5、...),TL為分析區段之週期的距離,X0為S×1/2(TL)到X點的距離,Vt為處理電壓值,V0為第S週期線性起始電壓值,m為(X,Vt)的斜率值,其位置換算演算法眾多,不以上述為限。
In the second embodiment of the method (that is, the double-sided pattern ruler in FIG. 6A), step S82 further includes providing a one-bit replacement algorithm to directly replace the
本案由上述可得知,本案利用感應尺之圖案與激磁元件10的相對位置變化產生感應電壓,進而以電壓值解析位置之技術手段,提高位置檢出精度與穩定度,以及金屬線圖案轉印製程易於長尺寸化(Scale up)等優點,以解決現有技術採用磁極圖案感知以及電壓相位差解析所遭遇的充磁耗時、安裝精度不易控制以及生產長度受限之問題。
This case is known from the above. In this case, the induced voltage is generated by the relative position change of the pattern of the sensing ruler and the
1:磁性位置感知裝置 1: magnetic position sensing device
10:激磁元件 10: Excitation element
20:感應尺 20: Induction ruler
21:正面 21: Positive
22:反面 22: reverse side
30:圖案 30: pattern
31:方波圖形 31: Square wave graphics
40:位置解析元件 40: Position resolution element
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