用于高極數(shù)電機(jī)的集成多匝絕對(duì)位置傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有集成的絕對(duì)磁位置反饋的高極數(shù)電機(jī)，所述高極數(shù)電機(jī)通過(guò)相關(guān)的電子器件能夠提供該電機(jī)的任意轉(zhuǎn)數(shù)上的絕對(duì)位置感測(cè)。多轉(zhuǎn)絕對(duì)位置反饋可以與高分辨率部分回轉(zhuǎn)反饋組合以提供電機(jī)的任意轉(zhuǎn)數(shù)上的高分辨率反饋。有多回轉(zhuǎn)能力的反饋和高分辨率部分回轉(zhuǎn)反饋兩者的磁路是基于現(xiàn)存的電機(jī)磁路。
【背景技術(shù)】
[0002]電機(jī)被用于實(shí)現(xiàn)對(duì)象的受控運(yùn)動(dòng)的各種應(yīng)用中。例如，電機(jī)被用于各種工業(yè)自動(dòng)化和其他自動(dòng)化應(yīng)用中。在許多應(yīng)用中，向電機(jī)或電機(jī)的控制器提供電機(jī)位置的精確度量以使得通過(guò)電機(jī)定位對(duì)象的精度可以更高是有用的。在許多應(yīng)用中，即使電機(jī)在系統(tǒng)功率被關(guān)閉時(shí)已經(jīng)被移動(dòng)，知道電機(jī)在施加功率時(shí)的絕對(duì)位置也是有利的。在閉環(huán)系統(tǒng)中，一個(gè)或更多個(gè)傳感器收集關(guān)于電機(jī)的位置、速率或加速度信息，并且將該信息提供給電機(jī)控制器。電機(jī)控制器內(nèi)的閉環(huán)控制系統(tǒng)接收作為反饋的電機(jī)位置或其他信息，并且改進(jìn)電機(jī)的定位或運(yùn)動(dòng)特性的精度。其操作通過(guò)反饋實(shí)現(xiàn)并且在閉環(huán)控制之下的電機(jī)常被稱為伺服電機(jī)。
[0003]絕對(duì)多匝位置反饋可以通過(guò)若干方法獲得，包括使用在它們之間具有機(jī)械傳動(dòng)裝置的多個(gè)編碼器部分或分解器部分、使用具有備用電池和電子計(jì)數(shù)器的傳感器、以及使用磁脈沖發(fā)生器來(lái)感測(cè)位置移動(dòng)并且可選地提供對(duì)脈沖的數(shù)量和序列進(jìn)行計(jì)數(shù)以便跟蹤軸位置所需的能量。
[0004]絕對(duì)位置傳感器的分辨率通常通過(guò)將粗略絕對(duì)位置傳感器的值與在一個(gè)回轉(zhuǎn)的有限的時(shí)間段或部分內(nèi)提供絕對(duì)位置的精細(xì)位置感測(cè)方法的那些值組合來(lái)改進(jìn)。假如粗略位置感測(cè)方法能夠在精細(xì)位置感測(cè)方法的周期的一小部分(a fract1n of)內(nèi)確定位置，則可以用電子裝置組合來(lái)自這兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)以提供對(duì)于位置的寬泛的絕對(duì)范圍的高分辨率位置反饋。
[0005]較高分辨率周期絕對(duì)位置傳感器與粗略多匝(mult1-turn)絕對(duì)位置傳感器的組合在本領(lǐng)域中是眾所周知的。美國(guó)專利N0.7，579，829中的Wong描述了高分辨率絕對(duì)周期位置感測(cè)與較低分辨率多匝絕對(duì)位置感測(cè)的組合。較低分辨率絕對(duì)位置感測(cè)通過(guò)使用由機(jī)械傳動(dòng)裝置耦合在一起的多個(gè)分解器而獲得。美國(guó)專利申請(qǐng)公開N0.US 2011/0156699 Al中的Shibata等人描述了類似的使用通過(guò)傳動(dòng)裝置機(jī)械地耦合的多個(gè)分解器部分的多匝絕對(duì)位置感測(cè)方法。存在基于機(jī)械傳動(dòng)方法的變型的多個(gè)專利。
[0006]美國(guó)專利N0.5，057, 727中的Jones描述了 “利用Wiegand效應(yīng)器件的軸位置傳感器(Shaft Posit1n Sensor Employing a ffiegand-effect device)，，。具體地說(shuō)，美國(guó)專利N0.5，057，727教導(dǎo)了使用Wiegand效應(yīng)傳感器來(lái)確定鋸齒狀軟磁輪的粗略位置，其中Wiegand效應(yīng)器件所需的磁場(chǎng)由非裝輪式磁源提供。非裝輪式磁源可以永久磁體或螺線管。來(lái)自多個(gè)Wiegand傳感器的信號(hào)的定相提供遞增位置信息。作為Wiegand效應(yīng)傳感器的基礎(chǔ)的Wiegand導(dǎo)線的操作在Wiegand的美國(guó)專利N0.3, 820, 090和Wiegand的美國(guó)專利N0.4, 247, 601中被描述。Wiegand傳感器包括被盤繞的感測(cè)導(dǎo)線環(huán)繞的Wiegand導(dǎo)線。當(dāng)在對(duì)傳感器施加足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)之后，所施加的磁場(chǎng)一變?nèi)趸蚰孓D(zhuǎn)，Wiegand導(dǎo)線的內(nèi)芯的磁化狀態(tài)就突然逆轉(zhuǎn)時(shí)，感測(cè)導(dǎo)線生成強(qiáng)烈的不同脈沖。基于該效應(yīng)的傳感器在包括Hinke等人的美國(guó)專利N0.4，538，082的技術(shù)中是眾所周知的。
[0007]美國(guó)專利申請(qǐng)公開N0.US 2010/0213927中的Mehnert等人描述了使用感測(cè)附著到將被監(jiān)視的主體的多個(gè)交替極性的永久磁體的粗略磁敏位置傳感器(諸如霍爾效應(yīng)傳感器)的絕對(duì)磁位置編碼器，其中操作控制邏輯和非易失性計(jì)數(shù)器的功率由單個(gè)Wiegand元件提供。該粗略位置傳感器與磁敏精細(xì)傳感器(諸如霍爾效應(yīng)傳感器)組合以提供更高分辨率的部分。這些組合在電子邏輯中以提供不需要外部功率來(lái)維持其絕對(duì)位置計(jì)數(shù)的高分辨率多匝編碼器。
[0008]美國(guó)專利N0.8，111，065中的Menhert等人描述了由來(lái)自主軸的齒輪驅(qū)動(dòng)以每轉(zhuǎn)生成多個(gè)功率脈沖的組合Wiegand效應(yīng)傳感器，其中這些脈沖被計(jì)數(shù)以提供粗略絕對(duì)位置裝置。絕對(duì)一匝編碼器、分解器或霍爾效應(yīng)位置傳感器裝置用于提供更高分辨率裝置，其中高分辨率周期的和低分辨率的絕對(duì)計(jì)數(shù)組合來(lái)提供絕對(duì)位置感測(cè)裝置。來(lái)自Wiegand效應(yīng)器件的脈沖用于給粗略絕對(duì)計(jì)數(shù)電子器件供電以使得不需要外部電功率來(lái)跟蹤輸入軸的粗略運(yùn)動(dòng)。
[0009]美國(guó)專利申請(qǐng)公開N0.US 2011/0006757 Al中的Mehnert描述了包含在鐵磁環(huán)內(nèi)的單個(gè)Wiegand效應(yīng)脈沖發(fā)生器與內(nèi)表面上的、對(duì)Wiegand效應(yīng)器件產(chǎn)生交替磁場(chǎng)的附著磁體的組合。附加的傳感器用于確定運(yùn)動(dòng)方向，以產(chǎn)生針對(duì)用于粗略位置的升/降計(jì)數(shù)器的信號(hào)以及用作位置反饋的精細(xì)分辨率部分。
[0010]美國(guó)專利申請(qǐng)公開N0.US 2011/0184691中的Mehnert等人進(jìn)一步教導(dǎo)了處理并且組合美國(guó)專利申請(qǐng)公開N0.US 2011/0006757中所描述的絕對(duì)位置傳感器所需的電子器件。對(duì)于粗略傳感器，單個(gè)Wiegand效應(yīng)傳感器與霍爾類型的器件組合，其中霍爾效應(yīng)器件從Wiegand效應(yīng)傳感器供電。Wiegand器件的遲滯有利地與霍爾效應(yīng)器件一起被用于確定旋轉(zhuǎn)方向，因?yàn)楦鶕?jù)旋轉(zhuǎn)方向，Wiegand器件所涉及的遲滯使Wiegand器件信號(hào)相對(duì)于霍爾效應(yīng)器件所測(cè)量的磁場(chǎng)異相。
[0011]美國(guó)專利N0.4，779，075中的Zagelein等人描述了這樣一種器件，該器件通過(guò)與附連到轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)的軸的單回轉(zhuǎn)絕對(duì)式位置傳感器結(jié)合使用利用非易失性存儲(chǔ)器基于先前的脈沖確定動(dòng)作并且利用計(jì)數(shù)器存儲(chǔ)周期計(jì)數(shù)的三個(gè)Wiegand或大型巴克豪森效應(yīng)器件來(lái)確定絕對(duì)位移。美國(guó)專利N0.4，779，075中的中心Wiegand器件(S3)用作預(yù)觸發(fā)使能，那么進(jìn)入其他Wiegand器件(如美國(guó)專利N0.4，779，075中所標(biāo)識(shí)的S2或SI)的第一脈沖用于操作計(jì)數(shù)器升或降。以這種方式，如果來(lái)自相同Wiegand器件的多個(gè)脈沖在沒(méi)有充分旋轉(zhuǎn)到第一嚙合S3的情況下發(fā)生，則忽視它們。
[0012]美國(guó)專利N0.5，663，641中的Morita教導(dǎo)了具有Wiegand效應(yīng)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)單元或者在音輪的交替極之間機(jī)械地耦合的非晶磁致伸縮導(dǎo)線傳感器。音輪的外周具有交替的具有均勻節(jié)距的N極和S極，使得檢測(cè)單元橫跨在一對(duì)相對(duì)極化的磁體之間。橫跨的極性隨著輪旋轉(zhuǎn)而交替，生成一系列脈沖。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明涉及基本上如圖中的至少一個(gè)所示的和/或如本文中結(jié)合圖中的至少一個(gè)描述的、如權(quán)利要求書中更完整地闡述的、一種用于高極數(shù)電機(jī)的集成多匝絕對(duì)位置傳感器。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1示出根據(jù)實(shí)施方案的具有集成的精細(xì)傳感器拾取線圈和粗略感測(cè)元件的電機(jī)的等距視圖。
[0015]圖2示出圖1的電機(jī)的前視角觀察的視圖。
[0016]圖3示出圖1的電機(jī)的后視圖，該后視圖顯示其精細(xì)傳感器拾取線圈和粗略感測(cè)元件的定子結(jié)構(gòu)和放置。
[0017]圖3A單獨(dú)地從與圖3相同的視角來(lái)看的圖1的電機(jī)的粗略感測(cè)元件。
[0018]圖3B示出單獨(dú)地從與圖3相同的視角來(lái)看的圖1的電機(jī)的精細(xì)傳感器拾取線圈。
[0019]圖4A、4B和4C示出從不同視角來(lái)看的圖1的電機(jī)的轉(zhuǎn)子組件。具體地說(shuō)，圖4A從側(cè)視圖示出轉(zhuǎn)子組件以示出轉(zhuǎn)子極帽到轉(zhuǎn)子磁體的放置。圖4B示出上轉(zhuǎn)子極帽的齒和間隙相對(duì)于下轉(zhuǎn)子極帽的對(duì)齊。圖4C示出轉(zhuǎn)子組件的剖開視圖，該剖開視圖示出齒和間隙在上轉(zhuǎn)子極帽和下轉(zhuǎn)子極帽之間的對(duì)齊。
[0020]圖5示出根據(jù)實(shí)施方案的在被設(shè)計(jì)用于微步進(jìn)操作的步進(jìn)電機(jī)中有用的精細(xì)傳感器拾取線圈的布置。
[0021]圖6示出根據(jù)實(shí)施方案的具有通量聚焦元件的粗略感測(cè)元件構(gòu)造。
[0022]圖6A示出根據(jù)實(shí)施方案的粗略感測(cè)元件的剖開視圖，該剖開視圖暴露粗略感測(cè)元件的內(nèi)部構(gòu)造。
[0023]圖7A、7B、7C和7D均示出圖1的電機(jī)隨著其轉(zhuǎn)子連續(xù)地移動(dòng)通過(guò)0.9度逆時(shí)針的運(yùn)動(dòng)增量的側(cè)視圖。
[0024]圖8示出根據(jù)實(shí)施方案的具有粗略感測(cè)元件的替代配置的電機(jī)的等距視圖。
[0025]圖9示出圖8的電機(jī)的側(cè)視圖。
[0026]圖10示出圖8的電機(jī)的替代定子和傳感器配置的等距視圖，該等距視圖詳細(xì)描繪精細(xì)傳感器拾取線圈和粗略感測(cè)元件的定位，其中轉(zhuǎn)子組件為了清晰起見而被移除。
[0027]圖11示出圖8的電機(jī)中所使用的橋式粗略感測(cè)元件的單獨(dú)視圖。
[0028]圖12示出關(guān)于2相1.8度步進(jìn)電機(jī)的、精細(xì)傳感器拾取線圈的歸一化解碼輸出Fl、F2、粗略感測(cè)元件的歸一化通量PHI1、PHI2、以及粗略感測(cè)元件的歸一化輸出Cl、C2，所有這些都是針對(duì)圖7A-D中所示的以每轉(zhuǎn)度數(shù)為單位的機(jī)械軸角而繪制的。
[0029]圖13示出隨著所述角度首先在正方向上移動(dòng)、然后逆轉(zhuǎn)并且在負(fù)方向上移動(dòng)的、以機(jī)械度數(shù)為單位的角位置W和圖12的傳感器輸出。
【具體實(shí)施方式】
[0030]1.前言
[0031]本發(fā)明的各方面在本文中就同步高極數(shù)電機(jī)進(jìn)行討論。高極數(shù)同步電機(jī)具有在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中有利地使用的某些性質(zhì)。題目為“低噪聲同步電機(jī)(Low NoiseSynchronous Motors) ”的美國(guó)專利N0.4, 025, 810描述了對(duì)于該討論有用的步進(jìn)電機(jī)的配置和操作的基本方面。這樣的電機(jī)有時(shí)被稱為步進(jìn)電機(jī)或步級(jí)電機(jī)，并且可以按開環(huán)配置、準(zhǔn)閉環(huán)配置和/或全閉環(huán)配置操作。在每種這樣的配置中