TWI774180B

TWI774180B - 線性運動系統之位置量測機構及其量測方法

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Publication number: TWI774180B
Application number: TW110100225A
Authority: TW
Inventors: 米哈伊爾泰普金; 奧列格托爾斯泰克; 謝爾蓋沃爾科夫; 根納迪泰金; 亞歷山大巴爾科維
Original assignee: 大銀微系統股份有限公司
Priority date: 2021-01-05
Filing date: 2021-01-05
Publication date: 2022-08-11
Also published as: TW202228381A

Abstract

本發明揭露一種線性運動系統之位置量測機構及其量測方法，其主要係將兩個感測器分別設於定子之兩側，除了使運動部可以進行雙向的運動外，並且在未增加感測器的數量的前提下，係以感測器本身所測得的資訊，即可計算出感測器的測量範圍。此外，本發明更將兩個感測器分別測量出的測量區段進行結合，以代替習知技術利用結合類正弦及餘弦信號的運算方式，並能確保位置回饋的準確度。

Description

線性運動系統之位置量測機構及其量測方法

本發明係與位置量測技術有關，尤指一種線性運動系統之位置量測機構及其量測方法。

按，不連續定子之永磁式線性馬達(Doubly Salient Permanent Magnet -Linear Synchronous Motor﹐DSPM-LSM)主要係包含複數個固定定子，分別具有多個不同相位的線圈，以及一個或多個具有磁鐵陣列的載體，並透過每個載體沿著移動路徑的位置回饋，藉以控制、校正各載體之作動。此於已於EP3015933A1、US8497643B2、US8796959B2、EP2182627 B1、US 20190190366 A1專利前案以及“Novel force ripple reduction method for a moving-magnet linear synchronous motor with a segmented stator”、“Cogging Force Verification by Deforming the Shape of the Outlet Edge at the Armature of a Stationary Discontinuous Armature PM-LSM”等文獻中亦有揭露。

在不要求高精確度測量結果之前提下，測量系統可採用霍爾感測器，而可減少複雜性以及位置回饋測量系統的成本。其中，DSPM-LSM的磁鐵陣列可以作為量測標尺，由於每個霍爾感測器所能測量的距離係小於一個磁鐵陣列的長度，故為了能提供該載體的全部移動範圍中的位置回饋資訊，該些霍爾感測器必須沿著載體的移動方向排列，並使相鄰的感測器的測量範圍相互重疊。

US8497643係揭露一種用於獲得距參考點的距離的線性標尺，主要係利用磁體所產生的磁通密度變化，並以傳感器所感測的正弦信號與餘弦信號進行運算，但方法會因磁通量(Magnet Flux)的末端效應(End-Effects)而降低準確度。而為了改善精確度之問題，在於US8497643及US6713902B2中更揭示了將磁鐵陣列中第一個及最後一個磁鐵的移動位置或偏斜方向。

US8796959B2係利用先前所出測量的相鄰感測器間的偏移值，配合每一個感測器的位置關係，並以單一處理單元進行運算。如此一來，感測器、伺服驅動器及處理單元彼此之間需要以特別的數位網路的進行排列，但其會因溫度形變、偏移量變化，而導致系統的長時間重複性(Long Time Repeatability)降低。

US20130229134A1揭露了一種利用位置回饋結合相鄰模組的偏移量，並校正量測標尺準確度的方法，其中，該離散配置線性馬達系統係由多個模組組成，每一個模組均包含有單一個感測器、一定子以及一驅動單元，並且利用複數個控制單元來控制該些模組，並發送位置訊息。據此，該方法僅利用單一感測器，會導致載體僅有單一作動方向有效，意即當載體於相反方向運動時，該些模組取得載體的位置會太晚，使得DSPM-LMS的作用力明顯減少。

US20130037384A1揭露了一種應用於電磁傳輸上之增進式多位置偵測系統，其主要包含了複數個磁場感測器，並以固定的距離排列在一運轉軌道上，用以偵測運轉軌道上傳送元件的位置，而該些感測器係連線至單一個處理單元，同時，為了配合感測器所偵測出的位置回饋，該案建議增加感測器的數量及其使用功能，惟此方法卻降低了系統模組化的可能性。因為，在工業應用中，DSPM-LSM的模組化可提升系統中各個元件的可維護性與可代替性，顯然習知之技術仍未臻於完善。

因此，本發明之主要目的即係在提供一線性運動系統之位置量測機構及其量測方法，其係將兩個感測器分別設於定子之兩側，除了使運動部可以進行雙向的運動外，並且在未增加感測器的數量的前提下，係以感測器本身所測得的資訊，即可計算出感測器的測量範圍。

本發明之另一目的即係在提供一線性運動系統之位置量測機構及其量測方法，其係將兩個感測器分別測量出的測量區段進行結合，以代替習知技術利用結合類正弦及餘弦信號的運算方式，並能確保位置回饋的準確度。

緣是，為達成上述目的，本發明所提供之位置量測機構，包含有：一基部；一運動部，係可相對於該基部進行移動；至少一磁體陣列，係設於該運動部中；一第一感測部及一第二感測部，係分別相隔地設於該基部上，用以感測該磁鐵陣列之磁場；一第三感測部，具有一設於該運動部上之訊號單元，一用以感測該訊號單元且設於該基部上之敏感元件；一處理部，係分別接收該第一感測部與該第二感測部之感測訊號，分別計算出對應該磁鐵陣列之一子週期，並再配合該敏感元件之感測資料，進行運算，以獲得該運動部之一運動路徑，再回饋至一驅動器，以調整該運動部的運動型態。

在一實施例中，本發明更包括複數個量測模組，分別包括該第一感測部、該第二感測部及該第三感測部，而兩相鄰的量測模組彼此之間的距離等於該磁鐵陣列的長度。其中，為了簡化了定子電流的電流換相定律，兩相鄰的量測模組彼此之間的距離等於該磁鐵陣列的長度。

其中，該驅動器係對一設於該基部上的定子進行電流控制，並利用一現場總線連接至一運動控制器，使得該些感測部所偵測的資訊均由單一裝置處理，因而降低了沿著運動路徑上載體位置辨識困難度。

本發明之另一目的則係在提供一種位置量測方法，係以一結合點將該第一感測部與該第二感測部分別於一測量範圍中所感測之訊號相結合。

為了估算出該測量範圍的確切位置，本發明係利用該第一感測部與該第二感測部所感測的子週期訊息與信號振幅進行確認。

其中，該測量範圍係以該結合點區分出該第一感測部之第一測量區段與該第二感測部之第二測量區段，該第一測量區段與該第二測量區段分別沿該運動部的動作方向配置，並且彼此相互比鄰。

當該運動部係由右往左運動位移時，該測量範圍的始點的定義為：該第一感測部所感測之訊號的振幅小於一預定之高閾值，並且該第一感測部所感測之訊號的子週期位置等於180∘；該測量範圍的終點的定義為：該第二感測部所感測之訊號的振幅高於一預定之低閾值，並且該第二感測部所感測之訊號的子週期位置等於180∘；

當該運動部係由左往右運動位移時，該測量範圍的始點的定義為：該第一感測部所感測之訊號的振幅大於該低閾值，並且該第一感測部所感測之訊號的子週期位置等於180∘；該測量範圍的終點的定義為：該第二感測部所感測之訊號的振幅小於該低閾值，並且該第二感測部所感測之訊號的子週期位置等於180∘。

茲即舉以本發明一較佳實施例並配合圖示進行說明。

在本發明一較佳實施例中所提供線性運動系統之量測機構(10)中係以不連續定子之永磁式線性馬達(DSPM-LSM)為例，該量測機構(10)則包含有一基部(20)、一運動部(30)以及一量測模組(40)。

如圖1所示，該基部(20)係具有一預定長度之基部(20)(圖上未示)，至少一定子(21)係沿著該基部(20)之長軸方向延伸地設於該基部(20)上。

該運動部(30)具有一載體(31)，係位於該基部(20)之一側，並以一側與該定子(21)相隔開來，一由多數磁鐵(321)依序設於該載體(31)上之一維磁鐵陣列(32)，藉由作為一次側之定子(21)與磁鐵陣列(32)間之磁場相互作用，即可令該運動部(30)沿著該基部(20)之長軸方向進行位移，惟關於以定子(21)作為一次側與以該運動部(30)作為二次側之技術內容，乃屬習知技術之範躊而為本發明所屬技術領域中之通常知識者所既已知悉者，於此即不贅述。

該量測模組(40)係具有一第一感測部(41)、一第二感測部(42)、一第三感測部(43)以及一處理部(44)，其中：

該第一感測部(41)與該第二感測部(42)係設於該基部(20)上，並分別位於該定子(21)對應於該基部(20)長軸方向上之兩端上，據以使該定子(21)介於該第一感測部(41)與該第二感測部(42)之間，如圖3所示，該第一感測部(41)與該第二感測部(42)乃係分別包含有八個磁敏感元件(Hall sensors, H1~H8)，用以感測該磁鐵陣列(32)之磁場變化；

該第三感測部(43)包含有一訊號單元(431)，係設於該載體(31)上，用以產生特定之物理訊號，一敏感元件(432)則係固設於該基部(20)上，用以感測該訊號單元(431)所產生之訊號；

該處理部(44)係接收該第一感測部(41)、該第二感測部(42)與該敏感元件(432)之感測資料，進行運算以獲得關於該運動部(30)之位置資訊後，回饋至一驅動器(50)，再由該驅動器(50)對該定子(21)進行供電控制。

更進一步而言，在該運動部(30)之移動行程超出單一之定子作為一次側時所能作用之範圍時，係可使該基部(20)所具有之定子數量為多數，如圖2所示者即係以兩個定子為例，使二定子(21)在長軸方向為同軸地固設於該基部(20)上，同時使該量測模組(40)之數量隨定子增加之數量，同步地增加為二，但所增加之量測模組中並不包含訊號單元之增加，亦即訊號單元之數量係與該載體(31)之數量相同，仍為單一。在本例中，兩相鄰的量測模組(40)彼此之間的距離等於該磁鐵陣列的長度。

如圖2所示，為本發明另一實施例，其與較佳實施例的差異在於量測模組(40)的數量為二，而該二量測模組(40)係沿著該載體(31)之運動方向進行排列，並沿著運動路徑提供位置回饋，且為便於控制係可將二量測模組(40)彼此連接，並藉由現場總線(fieldbus, 61)再連接至一運動控制器(60)，以便於處理一個或多個載體之移動控制。

如圖3所示，該第一感測部(41)或該第二感測部(42)分別所包含的八個磁敏感元件(Hall sensors, H1~H8)，均係由左而右依序排列，並使每個磁敏感元件(H1~H8)分別沿著測量軸以τ/4偏移(shifted on τ/4 along a measuring axis)，如圖7所示，τ為磁鐵陣列(32)之磁周期(period of magnet array)，即相同磁性的磁鐵(321)間的距離，而使該第一感測部(41)與該第二感測部(42)之長度係分別相當於二個磁周期(τ)。並使第一個磁敏感元件(H1)與第五個磁敏感元件(H5)、第二個磁敏感元件(H2)與第六個磁敏感元件(H6)、第三個磁敏感元件(H3)與第七個磁敏感元件(H7)、第四個磁敏感元件(H4)與第八個磁敏感元件(H8)分别並聯成四組，藉以優化平均回饋誤差以提高位置回饋之準確性與靈敏度，並聯為四組之該些磁敏感元件(H1~H8)所輸出之訊號係分別為Cos+、Sin+、Cos-、Sin-之正弦與餘弦差分訊號，如同UCos+=Ucos(α)、USin+=Usin(α)、UCos-= -Ucos(α)、USin-=-Usin(α)，其中，α係為由該處理部(44)依據公式α= atan2((UCos+ - UCos-)/(USin+ - USin-))所計算出之子周期(sub-period)位置(角度)。

如圖5A所示，由X軸方向之相對位置上來說，該第一感測部(41)係位於該定子(21)之左側，而該第二感測部(42)則位於該定子(21)之右側，而在Y軸方向上來說，該第一感測部(41)與該第二感測部(42)除可如圖5A所示地位於相對於該磁鐵陣列(32)之磁鐵中央外，亦可沿著Y軸方向偏移至位於該磁鐵陣列(32)之一側上(圖上未示)。該第三感測部(43)則對應於該磁鐵陣列(32)之一側。

如圖4所示，在載體(31)由左往右移動至當下位置(P1)之運動過程中，該第一感測部(41)所感測之訊號中，其正弦(411)振幅(412)與餘弦(413)訊號會隨之進行改變，其中，振幅(412)的變化會出現在該磁鐵陣列(32)未將各該磁敏感元件(H1~H8)之全部予以覆蓋時，亦即該載體(31)在進出該第一感測部(41)之測量範圍時，會產生振幅(412)減少的情況，致使在子周期(α1、414)在第一個周期與最後一個周期上受有明顯的干擾，其中，該振幅(A1,412)係以下式進行估算：

，其中，A為振幅，Cos+、Sin+、Cos-、Sin-分別為正弦與餘弦差分訊號。

同樣的，該第二感測部(42)所輸出感測訊號中的正弦振幅與餘弦訊號，亦產生與前述第一感測部(41)相同的情況。

如圖7所示，令該定子(21)介於該第一感測部(41)及該第二感測部(42)間之空間型態中，係使該定子(21)之長度(L21)小於該第一感測部(41)與該第二感測部(42)間的間隔距離(L40)。該間隔距離(L40)之長度為磁周期(τ)之整數倍數，且必須有至少四個磁周期(τ)的長度，以提供如圖6所示之該第一感測部(41)與該第二感測部(42)之感測重疊區域(401)，並且在結合兩個感測部之訊號時，排除準確度較低之周期(402a,402b)訊號。量測標尺之長度(L1)為磁周期(τ)之整數倍數，並以下列公式1加以確定：

，其中，n為包含0之自然數 (公式1)。

在本例中，該磁鐵陣列(32)的長度係等同於該量測標尺之長度(L1)。

如圖6所示，該第三感測部(43)係位於該重疊區域(401)中，用以提供唯一、獨特之結合點(433)，作為該第一感測部(41)與該第二感測部(42)之訊號結合點，為了確保該結合點(433)之正確性，即需如圖7所示，使該訊號單元(431)之長度(L431)小於兩個磁周期(τ)，並以該訊號單元(431)之訊號(435)及該第一感測部(41)之子周期(414)位於180度之位置加以確定，並且為避免受到低準確周期(402a,402b)之影響，該第三感測部(43)之設置位置便受到限制，舉例而言，當該些磁敏感元件(H1~H8)之長度為二個磁周期(τ)時，該訊號單元(431)係可位於該第一感測部(41)與該第二感測部(42)重疊區域(401)中的第三及第四重疊周期上。

如圖6所示，該第三感測部(43)係用以在該重疊區域(401)中產生唯一及獨特之零點(434)，該零點(434)位置係由該訊號單元(431)與該第一感測部(41)之子周期(414)加以界定，其中，該第一感測部子周期(414)係等於閾值(α10)，舉例而言，於圖6中所示之閾值(α10)為零，因此，該訊號單元之長度(L431)需滿足公式2：

(公式2)。

如圖7所示，該敏感元件(432)之偏移距離(Ls)(圖未示)係小於一個磁周期(τ)。其位置則係以下述之公式加以確定，相對於該第一感測部之首個子周期(414)之間隔長度(L13)，該間隔長度(L13)為：

(公式3)；

該訊號單元(431)設置之偏移距離(Lf) (圖上未示)係小於自身長度(L431)的一半，其與磁鐵陣列(32)之首個磁周期(τ)間之距離(L211)，係以下列公式4加以確定：

(公式4)。

舉例而言，在圖6中，該敏感元件(432)之偏移距離(Ls)為1/4磁周期(τ)，該訊號單元(431)之偏移距離(Lf)則趨近於零。

此外，本發明更能依據運動部(30)的作動型態計算出該量測模組(40)的測量範圍(403)，其中，在圖6中，當該載體(31)由左往右移動之運動位移時，係依據下列公式5定義出該量測模組(40)的測量範圍(403)之始點(241)與終點(242)，其中，Alowth是低閾值(249)，例如Alowth為額定振幅的25％，Ahighth是高閾值(248)，例如Ahighth為額定振幅的75％。是以，該處理部(44)係計算出該第一感測部(41)的振幅(A1,412)與子週期(α1、414)、及該第二感測部(42)的振幅(A2,421)與子週期(α2,422)，意即該第一感測部(41)的振幅(A1,412)大於低閾值(249)，該第一感測部(41)的子週期(α1、414)位置等於180∘，該第二感測部(42)的振幅(A2,421)低於高閾值(248)，該第二感測部(42)的子週期(α2,422)位置為 180∘。

始點:

終點:

(公式5)

當該載體(31)由右往左移動之運動位移時，係依據下列公式6定義出該量測模組(40)的測量範圍(403)之始點(241)與終點(242)，意即該第一感測部(41)的振幅(A1,412)小於高閾值(248)，該第一感測部(41)的子週期(α1、414)位置等於180∘，該第二感測部(42)的振幅(A2,421)高於低閾值(249)，該第二感測部(42)的子週期(α2,422)位置為180∘。

始點:

終點:

(公式6)

再者，當該載體(31)進入該測量範圍(403)時，該處理部(44)係將所運算出的該運動部(30)位置資訊回饋至該驅動器(50)，並再利用該驅動器(50)來控制該定子(21)來進行電流換相。在本例中，如圖7所示，係調整該第一感測部(41)與該定子(21)間的間隔距離(L25)，以使該第一感測部(41)的各該磁敏感元件(H1~H8)與該定子(21)的線圈同相位，藉以簡化該定子(21)的供電控制方式。

該測量範圍(403)更以該結合點(433)為基準區分有一第一測量範圍(217)及一第二測量範圍(227)，其中，當該載體(31)位於該結合點(433)左側時，係落入該第一測量範圍(217)中，再利用該第一感測部(41)之子周期(414)來計算出該運動部(30)位置並進行回饋；當該載體(31)位於該結合點(433)右側時，係落入該第二測量範圍(227)中，再利用該第二感測部(42)之子周期(422)來計算出該運動部(30)位置並進行回饋。

在圖7中，為了使兩相鄰的量測模組(40)具有重疊區域，使各該量測模組(40)之第一感測部(41)彼此之間的間隔距離(L11)等於該磁鐵陣列(32)的長度(L1)。

再者，如圖7所示者即係以兩個磁鐵陣列(32)為例，使二磁鐵陣列(32)在長軸方向為同軸地固設於載體(31)上，為了確保其所計算出的始點(241)與終點(242)的正確性，兩相鄰之該磁鐵陣列(32)的最小間距(L1010)係等於該第一感測部(41)的長度(L2)，並相當於二個磁周期(τ)。在本例中，兩相鄰的該磁鐵陣列(32)之間設置有至少一間隔物(111,112)，以其本身的長度來提供該最小間距(L1010)。

(10)線性運動系統之量測機構 (111)(112)間隔物 (20)基部(21)定子 (217)第一測量範圍(227)第二測量範圍 (241)始點(242)終點(248)高閾值(249)低閾值 (30)運動部(31)載體(32)磁鐵陣列(321)磁鐵 (40)量測模組(401)重疊區域(402a)(402b)低準確周期(403)測量範圍 (41)第一感測部(411)正弦(412)(421)振幅(413)餘弦(414)(422)子周期 (42)第二感測部 (H1)~(H8)磁敏感元件 (43)第三感測部(431)訊號單元(432)敏感元件(433)結合點(434)零點(435)訊號 (44)處理部 (50)驅動器 (60)運動控制器(61)線場總線 (τ)磁周期 (α)子周期(圖上未示) (α10)子周期閾值(A1)(A2)振幅(α1)(α2)子週期 (L1)量測標尺長度(L2)感測部長度(L21)定子長度 (L11)(L40)( L211)( L25)間隔距離 (L1010)最小間距 (L13)間隔長度 (L431)訊號單元長度 (P1)當下位置 (Ls)( Lf)偏移距離(圖上未示)

圖1係本發明一較佳實施例之示意圖。圖2係本發明另一實施例之示意圖，係顯示量測模組的數量為二。圖3係本發明一較佳實施例之第一感測部與第二感測部所分別包含的八個磁敏感元件之示意圖。圖4係本發明一較佳實施例之第一感測部所感測訊號的示意圖。圖5A係本發明一較佳實施例之仰視圖。圖5B係本發明一較佳實施例之側視圖。圖6係本發明一較佳實施例之訊號處理示意圖，其中，載體係由左往右移動至當下位置。圖7係本發明之一實施例之量測機構的示意圖，係顯示各元件的長度、間距與位置關係。

(10)線性運動系統之量測機構 (20)基部(21)定子 (30)運動部(31)載體(32)磁鐵振列(321)磁鐵 (40)量測模組 (41)第一感測部 (42)第二感測部 (43)第三感測部(431)訊號單元(432)敏感元件 (44)處理部 (50)驅動器

Claims

一種位置量測機構，包含有：一基部；一運動部，係可相對於該基部進行移動；二磁鐵陣列，係彼此相鄰配置於該運動部中，各該磁鐵陣列係分別具有多數磁鐵，兩相同磁性的磁鐵間的最小距離為一個磁周期，並使各該磁鐵陣列的長度分別為該磁周期的整數倍數，且各該磁鐵陣列間相隔有一至少為兩個磁周期之間距；一第一感測部及一第二感測部，係分別相隔地設於該基部上，用以感測該磁鐵陣列之磁場；一第三感測部，具有一設於該運動部上之訊號單元，一用以感測該訊號單元且設於該基部上之敏感元件；一處理部，係分別接收該第一感測部與該第二感測部之感測訊號，分別計算出對應該磁鐵陣列之一子週期，並再配合該敏感元件之感測資料，進行運算，以獲得該運動部之一運動路徑，再回饋至一驅動器，以調整該運動部的運動型態。
如請求項1所述之位置量測機構，其更包括複數個量測模組，分別包括該第一感測部、該第二感測部及該第三感測部，而兩相鄰的量測模組彼此之間的距離等於該磁鐵陣列的長度。
如請求項1所述之位置量測機構，其中，該第一感測部與該第二感測部分別所包含八個磁敏感元件，並使各該磁敏感元件分別以該磁鐵陣列之磁周期四分之一的距離由左而右依序排列，而第一個磁敏感元件與第五個磁敏感元件並聯，第二個磁敏感元件與第六個磁敏感元件並聯，第三個磁敏感元件與第七個磁敏感元件並聯，第四個磁敏感元件與第八個磁敏感元件並聯。
如請求項1所述之位置量測機構，其中，該驅動器係對一設於該基部上的定子進行電流控制，並利用一現場總線連接至一運動控制器。
如請求項4所述之位置量測機構，其中，該第一感測部係位於該定子之左側，而該第二感測部則位於該定子之右側；該第一感測部與該第二感測部彼此間的間隔距離為該磁鐵陣列之磁周期的整數倍數；該磁鐵陣列的長度大於該第一感測部與該第二感測部間的間隔距離，並至少為四個該磁鐵陣列之磁周期；該第三感測部係提供一結合點做為基準，得以將該第一感測部與該第二感測部之訊號相結合。
一種位置量測方法，係以一結合點將請求項1至請求項5任一項所述之該第一感測部與該第二感測部分別於一測量範圍中所感測之訊號相結合。
如請求項6所述之位置量測方法，其中，該測量範圍係以該結合點區分出該第一感測部之一第一測量區段與該第二感測部之一第二測量區段，該第一測量區段與該第二測量區段分別沿該運動部的動作方向配置，並且彼此相互比鄰。
如請求項7所述之位置量測方法，其中：當該運動部係由右往左運動位移時，該測量範圍的始點的定義為：該第一感測部所感測之訊號的振幅小於一預定之高閾值，並且該第一感測部所感測之訊號的子週期位置等於180°；該測量範圍的終點的定義為：該第二感測部所感測之訊號的振幅高於一預定之低閾值，並且該第二感測部所感測之訊號的子週期位置等於180°；當該運動部係由左往右運動位移時，該測量範圍的始點的定義為：該第一感測部所感測之訊號的振幅大於該低閾值，並且該第一感測部所感測之訊號的子週期位置等於180°；該測量範圍的終點的定義為：該第二感測部所感測之訊號的振幅小於該低閾值，並且該第二感測部所感測之訊號的子週期位置等於180°。