本申請依據(jù)35U.S.C.119(e)要求于2014年4月21日提交且標題為“Inductive Position Sensing in Linear Actuators”的臨時申請序列No.61/981,934的權益，該申請的全部內(nèi)容通過引用被結合于此。

技術領域

本發(fā)明一般而言涉及電磁致動器，并且更具體而言涉及永磁體致動器，例如線性致動器。

背景技術：

其內(nèi)容通過引用被結合于此的較早提交的專利申請，美國專利公開2014/0312716，描述了線性致動器。以其最簡單的形式，線性致動器包括纏繞在導磁材料的磁芯周圍的線圈的線性陣列和環(huán)繞線圈陣列的致動器組件。由永磁材料制成的環(huán)形磁體的線性陣列組成的致動器組件被布置成在施加到線圈的信號的控制之下沿線圈陣列的長度來回移動。通過向陣列中的線圈施加適當?shù)男盘?，致動器組件的位置和運動可以被控制。

對于這種線性致動器，能夠準確地確定致動器組件相對于線圈陣列的位置是有用的?？刂破骺梢允褂眠@種位置信息來確定陣列中的哪些線圈要激勵，以便最佳地驅動致動器組件的運動并且在期望的地方準確地重新定位致動器組件。通常，信息是通過使用安裝在致動器上的傳感器陣列確定的。在較早提交的申請中提到的這種傳感器的兩個例子是線性電位計和線性編碼器。

本申請描述了從測出的線圈的電特性確定致動器組件的位置的替代方法。

技術實現(xiàn)要素：

一般而言，在一方面，本發(fā)明的特征在于一種用于確定磁體組件相對于鄰近導磁材料布置的感應式元件陣列的位置的方法，該方法包括：測量感應式元件陣列的一個或多個感應式元件中每一個的電特性；以及從得自感應式元件陣列的一個或多個感應式元件的測出的電特性的信息，確定磁體組件相對于感應式元件陣列的位置。

優(yōu)選實施例包括以下特征中的一個或多個。測量一個或多個線圈的電特性包括測量感應式元件陣列的一個以上感應式元件當中每一個的電感。感應式元件陣列中的感應式元件是線圈。測出的電特性包括電感，例如，自感和/或互感。確定磁體組件相對于感應式元件陣列的位置包括訪問存儲函數(shù)關系的數(shù)據(jù)存儲元件，其中函數(shù)關系用于將得自測出的電特性的信息轉化為磁體組件相對于感應式元件陣列的位置。

一般而言，在另一方面，本發(fā)明的特征在于一種用于確定磁體組件相對于線性的線圈陣列的位置的方法，每個線圈纏繞在導磁材料周圍，該方法包括：測量線圈陣列的一個或多個線圈中每一個的電感；以及從得自線圈陣列的一個或多個線圈的測出的電感的信息，確定磁體組件沿線圈陣列的位置。

一般而言，在還有另一方面，本發(fā)明的特征在于一種系統(tǒng)，包括：磁體組件；導磁材料；位于磁體組件和導磁材料之間的感應式元件陣列，所述感應式元件陣列與導磁材料相鄰布置；多個電子電路，用于測量感應式元件陣列中一個或多個感應式元件的電特性；以及處理器系統(tǒng)，被編程為從得自一個或多個感應式元件的測出的電特性的信息確定磁體組件相對于感應式元件陣列的位置。

優(yōu)選實施例包括以下特征中的一個或多個。磁體組件包括永磁體。感應式元件陣列中的感應式元件是線圈。測出的電特性包括電感，例如，自感和/或互感。多個電子電路用于測量感應式元件陣列的一個以上感應式元件當中每一個的電感。處理器系統(tǒng)包括存儲函數(shù)關系的數(shù)據(jù)存儲元件，其中函數(shù)關系用于將得自測出的電特性的信息轉化為磁體組件的位置。

一般而言，在還有另一方面，本發(fā)明的特征在于一種系統(tǒng)，包括：導磁材料；線性的線圈陣列，每個線圈纏繞在導磁材料周圍；永磁體組件，環(huán)繞線性的線圈陣列；多個電子電路，用于測量線圈陣列中一個或多個線圈的電感；以及處理器系統(tǒng)，被編程為從得自一個或多個感應式線圈的測出的電感的信息確定永磁體組件相對于線圈陣列的位置。

本發(fā)明的一個或多個實施例的細節(jié)在附圖和以下描述中闡述。本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將從說明書和附圖以及從權利要求書顯而易見。

附圖說明

圖1示出了線性致動器。

圖2通過橫截面更詳細地示出了圖1的線性致動器中的線圈和磁體的布置。

圖3是單個線圈的電感與其沿圖1中所示線性致動器的位置之間的關鍵函數(shù)關系的例子。

圖4是單個線圈的測出的電感與其在沿圖1中所示線性致動器的各個點處的位置之間的關鍵函數(shù)關系的例子。

圖5示出了線圈陣列中的各個線圈相對于第一線圈的互感和位置之間的關鍵函數(shù)關系的示例集合。

圖6是用于測量單個線圈的自感的電路的框圖。

圖7是用于測量線圈陣列內(nèi)線圈的互感測量的電路的框圖。

圖8是用于測量線圈陣列內(nèi)任何線圈的自感和線圈陣列內(nèi)任何數(shù)量的線圈之間的互感的電路的框圖。

圖9示出了磁體位置-測量系統(tǒng)的多維(例如，二維)實現(xiàn)。

應當指出的是，附圖中相同的部件和特征可以由相同的標號識別。

具體實施方式

本文所述的實施例包括利用一組電線圈和一定數(shù)量的導磁材料(例如，鐵或鋼或Mu金屬)確定磁體或磁體陣列的位置的方法和系統(tǒng)。

被用來示出本文描述的技術的具體例子是線性致動器，其包括沿圓柱形鐵芯線性布置的一組電線圈，其中磁體或磁體陣列被約束為平行于并沿著磁芯和線圈移動，如圖1中所示。(進一步的例子在已經(jīng)通過引用被結合于此的美國專利公開2014/0312716中更全面地描述)。

更具體而言，線性致動器包括由例如為與空氣相比而言相對高的磁導率以及低矯頑力的諸如鐵或鋼或Mu金屬的軟鐵磁材料制成的具有兩個片段的分割磁芯10。兩個磁芯片段是圓筒的一半，當其并排放置時，形成具有沿磁芯的縱軸延伸的中空中央磁芯區(qū)域11的圓筒。

組裝到磁芯10上的是彼此相鄰布置的完全相同的線圈12的層疊，以形成線性的線圈陣列。它們是相鄰的，因為它們彼此鄰接，或者接觸或者隔開小的距離。在這個例子中，線圈全都具有相對于磁芯的相同朝向，即，它們關于磁芯在相同的方向被纏繞。但不一定需要這樣；取決于設計需求，纏繞方向可以交替或者按某個其它次序布置。

布置在線性的線圈陣列上的是形成磁體陣列的環(huán)形磁體16(即，環(huán)狀磁體)的層疊。在所描述的實施例中，這個磁體陣列由六個相鄰布置的環(huán)形磁體16層疊組成。每個環(huán)形磁體同軸布置并環(huán)繞在線圈陣列上。這個磁體陣列被機械地保持在一起，以形成能夠響應于由施加到底層線圈的電流強加到磁體陣列上的力而沿線圈陣列(和磁芯)的長度來回移動磁體組件(或致動器組件)。即，它相對于線圈陣列可移動地安裝，其中可移動地安裝意味著覆蓋其中如果陣列和磁芯保持固定則磁體陣列能夠沿線圈陣列和磁芯移動的情況，以及其中如果磁體陣列保持固定則線圈陣列能夠相對磁體陣列移動的情況。

是永磁體的環(huán)形磁體16，例如像釹-鐵-硼磁體的稀土磁體，具有布置成如圖2中所指示的極性，以實現(xiàn)類似于由Halbach陣列實現(xiàn)的結果。更具體而言，圖2中所示的六個環(huán)形磁體16被布置來增大在磁體陣列的一側(即，在線圈中)的磁場，同時減小在磁體陣列的另一側的磁場。六個環(huán)形磁體被布置成形成兩個磁路，即，兩個磁場環(huán)路。頂部的三個環(huán)形磁體形成第一磁路并且底部的三個環(huán)形磁體形成第二磁路。

在第一磁路中，最上面的環(huán)形磁體中的磁場向內(nèi)徑向定向；中間環(huán)形磁體中的磁場向上定向并且平行于線圈陣列的軸；而最下面的環(huán)形磁體中的磁場向外徑向定向。三個環(huán)形磁體形成一個單個磁路，其功能是減小(例如，部分地抵消)磁體陣列外部的磁場，然而增強磁體陣列內(nèi)部的磁場。它是單個磁路，因為磁體的布置生成形成一個環(huán)路的磁場。

應當指出的是，底部回路中磁體極性的布置是頂部回路中磁體極性的布置的鏡像(即，相對于與線圈陣列的軸垂直的平面的鏡像)。在這種六磁體構造中，磁矩在致動器組件的中心的兩個環(huán)寬度上方相同的方向徑向定向。這增加了與線圈電流垂直的徑向定向的磁場在其上方生成的線圈陣列的連續(xù)區(qū)域。

當然，線性致動器可以利用單個磁路或兩個以上的磁路來構成。

當電流被施加到位于由磁性組件環(huán)繞的線圈陣列的區(qū)域中的線圈12時，該線圈內(nèi)的周向電流和由磁體組件產(chǎn)生的徑向磁場的相互作用生成平行于線圈陣列的縱軸的力向量(Lorentz力)。取決于電流的極性和磁場的方向，這將使磁體組件在一個方向或另一方向沿組件的縱軸移動。

在所述實施例中，每個線圈的寬度(即，沿著致動器的線性運動軸線從一側到另一側的維度)等于陣列中的環(huán)形磁體沿著相同軸的寬度。換句話說，線圈和磁體具有相等的周期。因此，當一個環(huán)形磁體與相鄰線圈對齊時，所有其它環(huán)形磁體也都與對應的相鄰線圈對齊。但是，這不是必要條件。線圈可以具有與環(huán)形磁體不同的寬度。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當提到驅動線圈來控制磁體組件的運動時，選擇線圈寬度的1.5倍的磁體環(huán)寬度(即，兩個磁體環(huán)跨線圈陣列中的三個線圈)可以具有優(yōu)點。

在這種布置中的電線圈12具有自感和互感。我們可以寫：

其中V_j是第j個線圈上的電壓，I_k是第k個線圈中的電流，并且M_jk是互感陣列。應當指出的是，對于k＝j，M_jj是第j個線圈的自感。互感陣列的元素M_jk取決于線圈的幾何形狀、線圈的位置以及在線圈之間和周圍的磁導率的大小。

鐵芯10具有非線性磁導率。如果由磁體感應出的場足夠強，則當磁體非常接近時，磁芯的磁導率將改變。這種磁導率變化將改變電感M_jk。因此，電感M_jk是磁體或磁體陣列的位置的函數(shù)：

其中是磁體的位置。一般而言，是3D空間中的向量。對于我們正在討論的磁體或磁體陣列，我們可以寫：

M_jk＝M_jk(x) (3)

因為位置將僅沿著一個維度變化。

當磁體/磁體陣列移動時，自感和互感的變化被用來測量磁體的位置。一旦已經(jīng)測出了電感的所有子集，就可以找到位置x的最佳估計。

以全矩陣形式寫出等式(1)會是有用的：

一般而言，為了確定所有的電感M_jk，必須測量所有的電流I_k和電壓V_j。如果僅一個線圈承載電流(激勵線圈)并且所有其它線圈電流都為零，則等式被簡化。在那種情況下，

因為對于j≠k，如果測出的電壓被過濾(例如，帶通過濾)，則電流在通帶頻率范圍內(nèi)為零就足夠了。如果限定了電流與電壓的關系(例如，如果附連到線圈的阻抗是恒定的)，則產(chǎn)生另一簡化。在那種情況下，等式(5)仍然成立，但M_jk不是真正的電感，而是表觀的或有效的電感。

值得指出的是，在深入研究細節(jié)之前，使用自感和/或互感來確定位置的方法包括以下關鍵要素：

1.通過在將被測量的距離范圍上的空間分布的電感器陣列，每個電感器包括與其它電導體隔離并且靠近導磁材料(諸如在線圈的磁芯的鐵)的導電材料(諸如纏繞成線圈的銅線)。

2.永磁體的組件，其發(fā)射足夠高密度的磁通量，以在保持緊密靠近時改變包含在每個電感器內(nèi)或鄰近每個電感器的大量的導磁材料的磁導率。

3.能夠測量電感器的阻抗、互感和/或自感的電路系統(tǒng)。

圖1和2中所示的線性致動器擁有三個關鍵要素中的前兩個。但是，如后面將變得更清楚的，除了線性致動器之外還存在許多也擁有這些關鍵要素并且自感和互感測量可被用來執(zhí)行位置測量的其它布置。

為了執(zhí)行位置測量，允許磁體組件沿橫穿電感器的分布范圍的方向移動，同時被約束為保持足夠接近以改變磁芯的磁導率。磁體組件被定向成使得從組件發(fā)射的磁通量的路徑大部分穿過靠近磁體組件的一個或多個電感器內(nèi)的導磁材料。

基于自感的位置測量

前面對電感的討論主要應用于電感器的“自感”。但是，該測量方法可以容易地被推廣到互感，如將在后面部分中解決的。

當來自磁體組件的足夠大的磁通量進入電感器內(nèi)的大量的可滲透材料時，可滲透材料將開始飽和，即，其磁導率將朝著自由空間的理論上的最小磁導率開始減小。電感器中的導磁材料的磁導率的減小導致電感器的電感的減小，如可以通過附連的電路系統(tǒng)測量的。電路系統(tǒng)被用來隨時間的推移測量電感器的電感，并且當觀察到任何電感器的電感減小時，就知道緊鄰那個特定的電感器的磁體組件。通過重復測量陣列內(nèi)多個電感器的電感，可以通過指出表現(xiàn)出電感降低低于其原始值的任何電感器的物理(空間)位置來推斷磁體組件的位置，如在磁體組件的存在之外所觀察到的。作為替代，電路系統(tǒng)可以測量阻抗(幅度和相位)的變化，因為實際線圈將既有電阻又有電感特性。

用于在電感器陣列的距離范圍上計算磁體組件的位置的方法一般考慮由多個電感器執(zhí)行的測量。當磁體組件的磁通路徑從陣列中的一個電感器(電感器A)附近逐漸移動到另一個電感器(電感器B)時，電感器A的電感將增加，而電感器B的電感將減小。一般而言，取決于陣列內(nèi)的電感器與磁體組件的相對尺寸和位置，當磁體組件的位置變化時，電感的逐漸變化可以在兩個以上電感器中被觀察到。因此，在足夠接近以便受磁體組件運動影響的位置中的每個電感器的電感(或阻抗)的相對值的分析可以對位置的確定貢獻信息。

為了從在多個線圈上進行的測量確定位置，應當考慮被磁體組件影響的多個線圈的相對電感。指出兩個方面是重要的。首先，任何這種(靠近磁體組件的)電感器的電感將擁有作為磁體組件相對于那個電感器的位置的函數(shù)變化的電感的已知值。第二，磁體組件的位置不能僅從在單個電感器上測出的電感獲知，因為在這種情況下，存在兩個將導致電感的這種值的磁體組件可以位于的對稱位置(在陣列中的電感器的任一側上)。因此，位置的清楚確定需要被磁體組件的影響(從磁體組件接收大量的磁通量)的至少兩個電感器的測量。

但是，應當指出的是，如果提供替代方式以解決磁體組件的位置的模糊性，則單個線圈的測量可能就足夠了。一種這樣的方式是在下一次測量之前記住磁體組件的位置(即，保留其運動的歷史)。或者，作為替代，使用另一個更粗略的傳感器裝置粗略地定位其位置。

在任何情況下，磁體組件的位置都將產(chǎn)生每個電感器的電感的已知值，作為每個電感器相對于磁體組件的位置的函數(shù)。如圖3中所繪出的，這個一般關系可以被可視化為電感器的電感(Y軸，以亨利為單位)相對于那個電感器相對于磁體組件的位置(X軸，以米為單位)的連續(xù)曲線圖。這種關系將被稱為關鍵函數(shù)關系。這種已知關系可被用來實際上將曲線擬合到在電感器上進行的測量，使得可以確定磁體組件的位置。作為替代，關鍵函數(shù)關系可以在阻抗(幅度和相位)和電感器相對于磁體組件的位置之間測量。

應當指出的是，圖3給出了用于其中在磁體組件中有六個磁體的實施例的關鍵函數(shù)關系，其中磁場如圖2中所指示的那樣布置。此外，陣列中的磁體沿縱軸線具有相同的長度，如同線圈那樣(即，它們具有相同的周期)。

一般而言，兩個或更多個電感器中的多個可以充分靠近磁體組件，以在磁體組件移動時感應電感的變化。然后，可以在圖上相對于每個電感器的物理位置(X軸，以米為單位)繪制每個電感器的測出的電感(Y軸，以亨利為單位)(測量數(shù)據(jù))。然后，利用非線性誤差最小化技術(例如，諸如Levenberg-Marquardt)(參見圖4)，這種測量數(shù)據(jù)可以被擬合到電感和位置之間(或阻抗和位置之間)的前述關鍵函數(shù)關系。在將關鍵函數(shù)關系擬合到測量數(shù)據(jù)的一種特定方法中，關鍵函數(shù)關系的X軸偏移(空間變量，以米為單位)是不受約束的，并且在誤差最小化期間自由變化。在擬合到測量數(shù)據(jù)時，關鍵函數(shù)關系的X軸的增益、Y軸的偏移和Y軸的增益全都應當保持為恒定值。以這種方式，一旦擬合完成，X軸偏移(無約束的擬合參數(shù))就將被確定處于等于磁體組件相對于底層電感器陣列的位置變化的值。

基于互感的測量方法

基于自感的測量方法可以容易地推廣到線圈之間的互感的測量，以便估計磁體組件的位置。在互感的情況下，我們現(xiàn)在分析一組關鍵函數(shù)關系的集合，而不是分析磁體組件的位置和每個單獨電感器的自感之間的單個關鍵函數(shù)關系，其中集合的每個元素包括系統(tǒng)中兩個電感器的互感與磁體組件的位置之間的函數(shù)關系。一般而言，關鍵函數(shù)關系的集合可以由互感矩陣M_ij描述，其中矩陣的每個元素可以作為磁體組件的位置函數(shù)而改變。這個矩陣的大小是總共N×N＝N²個元素，其中N是系統(tǒng)中電感器的數(shù)量。

在實踐當中，磁體組件的位置可以從遠小于N×N矩陣M_ij中的元素總數(shù)當中可靠地測量。當正弦電流施加到系統(tǒng)中的單個電感器(例如，在電感器陣列的極值處)并且作為響應所有其它元素的電壓都同時被測量時，N×N矩陣沿矩陣行M_i0j簡化為N元件向量，其中i₀是利用電流激勵的電感器的索引。

這種函數(shù)關系的簡化集合的例子在圖5中給出。該圖在x軸上示出了磁體組件相對于固定參考點的位置，其中固定參考點在這種情況下被指示為線圈1的位置。y軸顯示線圈1和第二線圈之間的互感，其隨著磁體組件的位置改變而改變。互感關系為與幾個附加線圈(線圈2、線圈3、線圈4和線圈5)相互作用的線圈1示出。重要的是指出線圈1和每個其它線圈之間的互感變化的斜率在沿著磁體組件的位置的不同位置達到頂峰。通過將關鍵函數(shù)關系的集合考慮在一起，能夠以比可從單個互感關系獲得的準確度更高的準確度來估計位置。為了實現(xiàn)這一點，位置估計算法將對每個互感關系中高斜率的區(qū)域給予更大的權重，以最大化位置估計的可靠性。

用于最大信噪比的測量加權函數(shù)的選擇

當電感器足夠遠離磁體組件以響應于磁體組件的位置變化而感應可忽略的電感變化時，它們可以有效地從包括在測量數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)點的數(shù)量中被省略并且在其擬合到關鍵函數(shù)關系期間被使用。在實踐當中，為了在擬合中包括的數(shù)據(jù)點和從擬合中省略的數(shù)據(jù)點之間創(chuàng)建更平穩(wěn)的過渡，可以使用加權函數(shù)，基于電感的每個值與其在磁體組件的影響之外的值的絕對偏差，加權函數(shù)向每個電感測量分配相對權重，因為它有助于擬合。當電感器的電感被觀察到更接近當電感器在磁體組件的影響之外時通常觀察到的電感值(即，其最大電感水平)時，其在擬合計算中的權重應當更低。一般而言，必須指定加權函數(shù)，以最大化測量系統(tǒng)的信噪比。

此外，已知當電感器充分靠近磁體組件并且因此變得完全飽和時，在關鍵函數(shù)關系中存在相對低的斜率(穿過零)。這個最小(零)斜率點與在關鍵函數(shù)關系中已知的最小電感水平相關。因此，在這個最小電感水平使用的加權函數(shù)的值也應當?shù)汀Ｒ蚨?，加權函?shù)應當在如前所述的關鍵函數(shù)關系的最小和最大電感水平之間的值處達到頂峰，并且與關鍵函數(shù)關系中的最大斜率的位置相關。在一般情況下，如果磁體組件產(chǎn)生復雜磁場，則電感(或阻抗)和位置之間的關系可以具有多個靜止點，在這些點，位置相對于電感(或阻抗)的斜率對于單個線圈為零。加權函數(shù)也應當在這些位置給出相對低的加權。在實踐當中，加權函數(shù)可以在所有點與關鍵函數(shù)關系的斜率相關：在磁體組件的影響范圍之外和在靜止點處，電感變化緩慢并且加權函數(shù)應當小。在電感快速變化的其它點，加權函數(shù)應當更高。

在高電流條件下的位置測量

作為來自所述方法的非理想性并且尤其是在通過陣列中任何電感器的高電流電平，由流經(jīng)電感器的電流感應出的磁通本身可以使導磁材料飽和。在這種情況下，外部施加的電流和線圈電感之間的關系將在關鍵函數(shù)關系(3D)中變成另一維度。因此，在這種情況下，關鍵函數(shù)關系(3D)可以在概念上被可視化為線圈電感(Z軸，以亨利為單位)相對于磁體組件和線圈之間的相對位置(Y軸，以米為單位)以及在外部施加到線圈的電流幅度(X軸，為安培為單位)的三維圖?？梢灶愃频貞脼樵诳刂葡到y(tǒng)中使用而適當?shù)剡M行計算優(yōu)化的非線性擬合方法，以便從關鍵函數(shù)關系(3D)確定位置，因為到測量數(shù)據(jù)(3D)的擬合現(xiàn)在包括測出的電感和測出的(或已知的)外部施加的電流。

在電壓波動存在時的位置測量

作為系統(tǒng)中的進一步非理想性，跨線圈的電壓的任何波動都會影響那個線圈的電感的測量。特別地，磁體組件跨每個電感器的運動將由于其反電動勢而感應出電壓。但是，可以(根據(jù)先前的位置測量)估計移動的磁體組件的速度，并且那個速度估計可以繼而被用來估計由緊密接近移動的磁體組件的線圈的反電動勢(也由先前的位置測量確定)感應出的電壓。通過確定每個線圈的依賴速度的電壓，可以從在每個線圈上測出的實際電壓中減去該電壓，以確定在沒有反電動勢的情況下跨每個線圈的電壓的估計。

作為另一種方法，為了從電感的測量減少不想要的電壓波動，可以使用頻率過濾器。頻率過濾器被應用到測出的電壓，使得僅測量在以足夠接近所施加的電流的頻率的頻率波動的電壓。在這種情況下，用于跨每個線圈j的電壓的等式可以寫為：

只要除了線圈i之外沒有線圈攜帶任何電流，這就是有效的。

自感測量

為了確定處于擾動頻率的線圈的阻抗，跨每個線圈的電壓可以經(jīng)受周期性擾動并且電流被測量(或者反之亦然)。給定線圈的假設的等效電路模型(例如，串聯(lián)L-R電路)，可以從已知的阻抗和頻率來估計線圈的電感?？梢栽谝欢ǚ秶念l率上掃描周期性擾動，以便增加從假設的等效電路模型對電感估計的準確度，如在阻抗譜和傅里葉分析的其它應用中通常所做的那樣。作為替代測量方法，還可以分析非周期信號的時間或頻率域(變換)響應，以提取等效電路電感。

用于單個線圈的自感測量電路100的框圖在圖6中示出。它包括將電流驅動到線圈104的電流源102、用于測量跨線圈104的結果電壓的電壓測量電路系統(tǒng)106，以及用于解釋結果的處理器單元108，其中處理器單元108分別經(jīng)由數(shù)模轉換電子器件110和模數(shù)轉換電子器件112連接到電流源102和電壓測量電路系統(tǒng)106。處理器單元108還包括存儲被用來將電感測量轉化成致動器組件沿線圈陣列的精確位置的關鍵函數(shù)關系的數(shù)據(jù)存儲器(data storage)或內(nèi)存(memory)109。關鍵函數(shù)關系可被存儲為函數(shù)或數(shù)據(jù)表或以其它已知的有用形式。

自感測量電路100可以被復制，以便測量線圈陣列中每個線圈的自感。

互感測量

為了測量互感，一種方法包括將正弦電流施加到單個線圈。在那個頻率在其它線圈中感應出的電壓V是互感M_ij的函數(shù)：

其中I是電流，j是電壓正在被測量并且電流被施加到線圈i的線圈編號。為了使這個等式有效，除線圈i之外的所有線圈中的電流必須為零。

測量線圈130(1)-(n)的陣列130的互感的系統(tǒng)的示例框圖在圖7中示出。在所示的例子中，電流源122向線圈陣列中的其中一個線圈130(1)施加電流，并且電壓測量電子器件106測量系統(tǒng)中跨多個其它線圈130(2)-(n)的電壓。被施加和測量的所有信號都由分別經(jīng)由數(shù)模轉換電子器件110和模數(shù)轉換電子器件112連接到電流源102和測量電子器件106的一個或多個處理器電路132控制和分析。處理器電路132還包括存儲被用來將電感測量轉化成致動器組件沿線圈陣列的精確位置的關鍵函數(shù)關系的數(shù)據(jù)存儲器或內(nèi)存133。關鍵函數(shù)關系可被存儲為函數(shù)或數(shù)據(jù)表或以其它已知的有用形式。

一般而言，有可能通過跨所有線圈的(利用驅動電流的)同時激勵和(電壓的)測量來測量所有線圈之間的互感，由此在單個測量中填充用于所有i和j的整個互感矩陣M_ij。

其中有可能測量任何線圈的自感和任何數(shù)量的線圈132(1)-(n)之間的互感的系統(tǒng)的框圖在圖8中示出。它包括電子電路系統(tǒng)140，以從陣列130中的任何線圈啟動待施加的電流(102)和待測量的電壓(106)。這些驅動和測量電子器件通過模數(shù)轉換電子器件112和數(shù)模轉換電子器件110連接到一個或多個處理器電路132。一個或多個處理器電路132還包括存儲被用來將電感測量轉化成致動器組件沿線圈陣列的精確位置的數(shù)據(jù)存儲器或內(nèi)存133。

在圖6-8中所示的電路中，處理器電路被編程為從測出的電流和電壓計算線圈的相關電特性(例如，阻抗、自感和/或互感)，然后通過使用預定的、所存儲的用于線圈的關鍵函數(shù)關系分析計算出的相關特性來確定磁體組件的精確位置。

高階互感效應

作為系統(tǒng)的又一非理想性，第一線圈的測出的阻抗將受到由于互感項而引起的第二附近線圈的阻抗的變化的影響。例如，如果電流通過諸如H橋的開關電路被驅動通過第二線圈，則H橋的變化的阻抗將影響測出的第一線圈的阻抗。特別地，外部驅動電路的阻抗可以影響第一線圈的測出的電感。第一線圈施加的電流和測出的電壓之間的關系變?yōu)榱硪粋€維度的函數(shù)：連接到其它線圈的阻抗。

實現(xiàn)約束

在實踐中，被用來將測量數(shù)據(jù)擬合到關鍵函數(shù)關系的非線性最小化技術必須在計算上進行優(yōu)化并被確定為足夠快速地并且在可用的計算資源內(nèi)執(zhí)行，以便當集成在閉環(huán)電氣/機械控制系統(tǒng)中時是有用的。

為了精確地定位磁體組件，可以連續(xù)地測量所有線圈的電感。但是，這將是過度的，因為只有其電感受磁體組件的接近性影響的線圈才是真正相關的。線圈離磁體組件越遠，確定磁體組件的位置就越不重要。實際上，當線圈遠離磁體組件移動時，線圈很快就變得不相關。因此，可以僅選擇所有線圈的一個子集包括在電感測量中。那個子集可以通過大致知道磁體組件沿線圈陣列定位的位置(存儲關于磁體組件的運動的歷史信息)或通過使用其它傳感器裝置來確定。

在所描述的實施例中，線圈被布置在線性陣列中。但不一定需要這樣。本文中描述的技術可以用在線圈的許多其它布置中，包括沿曲線或圍繞圓圈或沿某個其它一維幾何形狀排列的線圈。

在所述實施例中，線圈環(huán)繞導磁材料(纏繞在其周圍)。但是本文描述的技術可適用于其它幾何形狀和其它感應式元件。線圈不需要纏繞在導磁材料周圍；它可以僅僅是接近導磁材料。此外，線圈可以布置在多維(例如，二維)陣列中，如圖9中所指示的。在那種實施例中，存在位于導磁材料154的平板上方的線圈150(x,y)的陣列。在這個特定的例子中，線圈被布置在矩形2-D陣列中，在線圈之間具有相等的間隔，但是其它布置可以被容易地想到。永磁體152在線圈陣列上方并且能夠被移動到在線圈陣列上方并且平行于線圈陣列的2-D場內(nèi)的任何位置。與上述相同的原理應用于這個系統(tǒng)，以通過測量線圈陣列中一個或多個線圈的電感來確定2-D場中(以及相對于線圈陣列)的精確位置。

這種布置中(以及任何其它布置中)的關鍵考慮是，感應式元件的電感受附近材料的磁導率變化的影響，因為當它緊靠時，它被永磁體飽和。此外，如果感應式元件是線圈，則線圈可以是其電感受附近材料的磁導率變化的影響的線或跡線或導電材料的任何構造(例如，線或導電跡線的平坦蛇形布置)。

其它實施例在以下權利要求書之內(nèi)。