專利名稱：使用磁場的位置測量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用磁場的位置測量。
背景技術(shù)：
線性電機(jī)可用于控制對象的位置和移動。在一些示例中，磁傳感器陣列可用于讀 取安裝在銜鐵上的磁尺的圖案，以確定銜鐵相對于電機(jī)的定子的位置。傳感器可以是數(shù)字 傳感器(諸如霍爾效應(yīng)開關(guān))，模擬傳感器(諸如磁阻傳感器或巨磁阻傳感器)，或者兩者 的組合。

發(fā)明內(nèi)容
本文件描述了一種低成本非接觸式高分辨率長行程絕對位置傳感器，其可在寬溫 度范圍上工作。該位置傳感器測量線性電機(jī)銜鐵的位置，使得控制系統(tǒng)能夠正確地執(zhí)行電 機(jī)換向(電驅(qū)動適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)線圈)并控制在其中使用該電機(jī)的更高層級的系統(tǒng)。在一個方面，總體上，線性電機(jī)包括定子和銜鐵，銜鐵沿一路徑相對于定子移動， 銜鐵包括磁體；并且傳感器基于測量銜鐵的磁體產(chǎn)生的磁場來確定銜鐵的位置。實現(xiàn)方式可以包括一個或多個下列特征。傳感器可以檢測銜鐵的磁體之一的磁 場。該一個磁體可以位于銜鐵的末端。傳感器可以確定磁場的方向。傳感器可以包括檢測 銜鐵的第一末端的第一磁傳感器，以及檢測銜鐵的第二末端的第二磁傳感器。傳感器可以 補(bǔ)償磁場強(qiáng)度的變動。磁場強(qiáng)度的變動可由從包括溫度變化、距離、磁場的組中選擇的因素 引起。傳感器可以通過使用在第一方向上的磁場的第一測量與在第二方向上的磁場的第二 測量的比率來補(bǔ)償磁場強(qiáng)度。傳感器可以測量在第一方向上的磁場的第一測量，并測量在 第二方向上的磁場的第二測量。傳感器可包括磁傳感器來檢測銜鐵磁體的磁場，該磁傳感 器與定子間隔開。傳感器可以通過在一位置處測量磁場在第一和第二方向上的振幅而測量 第一和第二測量。第一和第二方向可以包括垂直于路徑的第一方向和垂直于路徑的第二方 向?？梢蕴峁┐鎯υO(shè)備來存儲關(guān)于磁場的方向和移動構(gòu)件沿路徑的位置之間的相關(guān)性的信 息?？梢蕴峁┠K來計算磁場的方向和移動構(gòu)件沿路徑的位置之間的相關(guān)性。在另一方面，總體上，可沿路徑移動的構(gòu)件包括沿路徑延伸的伸長的磁體，伸長 的磁體的磁場定向相對于路徑成一角度；以及傳感器，基于測量伸長的磁體產(chǎn)生的磁場來 確定構(gòu)件沿路徑的位置。實施實現(xiàn)方式可以包括一個或多個下列特征。相對于所述路徑成一角度的伸長的 磁體的磁場定向可以通過物理上將伸長的磁體沿相對于所述路徑處于相同角度的方向放 置，或者通過沿相對于所述路徑處于相同角度的方向列印伸長的磁體的定向來實現(xiàn)。伸長 的磁體可以包括第一部分和第二部分，第一部分具有磁北到南方向，其不同于第二部分的 磁北到南方向。第一和第二部分可以都平行于第一方向延伸。第一和第二部分可以具有垂 直于第一部分的北到南軸。傳感器可以確定伸長的磁體產(chǎn)生的磁場的方向。可以提供存儲 設(shè)備來存儲關(guān)于磁場方向和構(gòu)件位置的相關(guān)性的信息。可以提供模塊來計算磁場方向和構(gòu)件位置的相關(guān)性。傳感器可以基于對磁場的測量來確定構(gòu)件沿路徑的絕對位置。構(gòu)件可以 包括電機(jī)的銜鐵。伸長的磁體可以包括條形磁體。在另一方面，總體上，可沿路徑移動的構(gòu)件隨著構(gòu)件相對于磁體沿路徑移動而改 變磁體的磁場的分布；并且傳感器基于對磁場定向的測量確定構(gòu)件在路徑上的位置。實現(xiàn)方式可以包括一個或多個下列特征。構(gòu)件可以包括鐵磁元件，其隨著構(gòu)件沿 路徑移動改變磁場的分布。該鐵磁元件可以包括鋼元件。鐵磁元件可以具有隨著構(gòu)件沿路 徑移動而變化的截面，該截面沿著垂直于路徑的平面。構(gòu)件可以包括電機(jī)的銜鐵。磁體可 以相對于電機(jī)的定子固定。在另一方面，總體上，主動懸掛系統(tǒng)包括具有定子和銜鐵的線性電機(jī)，所述銜鐵 沿一路徑相對于定子移動，所述銜鐵包括磁體；傳感器，用于基于對銜鐵的磁體產(chǎn)生的磁場 的測量確定銜鐵的位置；以及控制器，用于基于銜鐵的位置控制線性電機(jī)。實現(xiàn)方式可以包括一個或多個下列特征。銜鐵可以耦合到座椅或者方向盤。在另一方面，總體上，主動懸掛系統(tǒng)包括可沿路徑移動的構(gòu)件，該構(gòu)件包括沿路 徑延伸的伸長的磁體，伸長的磁體的磁場定向相對于路徑成一角度。該系統(tǒng)包括傳感器，用 于基于測量伸長的磁體產(chǎn)生的磁場來確定構(gòu)件沿路徑的位置；以及控制器，用于基于構(gòu)件 的位置來控制構(gòu)件的移動。實現(xiàn)方式可以包括一個或多個下列特征。銜鐵可以耦合到座椅或者方向盤。在另一方面，總體上，主動懸掛系統(tǒng)包括磁體和可沿路徑移動的構(gòu)件，所述構(gòu)件 隨著構(gòu)件相對于磁體沿路徑移動而改變磁體的磁場的分布。該系統(tǒng)包括傳感器，用于基于 測量磁場的定向來確定構(gòu)件在路徑上的位置；以及控制器，用于基于構(gòu)件的位置來控制構(gòu) 件的移動。實現(xiàn)方式可以包括一個或多個下列特征。銜鐵可以耦合到座椅或者方向盤。在另一個方面，總體上，來自線性電機(jī)的銜鐵的磁體的磁場相對于定子移動銜鐵; 并且基于測量銜鐵的磁體產(chǎn)生的磁場來確定銜鐵的位置。實現(xiàn)方式可以包括一個或多個下列特征。可以檢測銜鐵的末端的一個磁體的磁 場?？梢源_定磁場的方向。確定磁場的方向可以包括確定在第一方向上的磁場的第一測量 與在第二方向上的磁場的第二測量的比率。第一和第二方向可以包括垂直于路徑的第一方 向和垂直于路徑的第二方向。該方法可包括與定子隔開一距離來定位磁傳感器并使用磁傳 感器來檢測銜鐵磁體的磁場，該距離選擇為減少來自定子產(chǎn)生的磁場的干擾。關(guān)于磁場的 方向和移動構(gòu)件沿路徑的位置之間的相關(guān)性的信息可以存儲在存儲器中?？梢源_定磁場的 方向和移動構(gòu)件沿路徑的位置之間的相關(guān)性。在另一方面，總體上，構(gòu)件沿路徑移動，該構(gòu)件包括沿路徑延伸的伸長的磁體，伸 長的磁體的磁場定向相對于路徑成一角度；以及基于測量伸長的磁體產(chǎn)生的磁場確定構(gòu)件 沿路徑的位置。實現(xiàn)方式可以包括一個或多個下列特征。物理上將伸長的磁體沿相對于所述路徑 處于所述角度的方向放置。確定伸長的磁體產(chǎn)生的磁場的方向。關(guān)于磁場的方向和移動構(gòu) 件沿路徑的位置之間的相關(guān)性的信息可以存儲在存儲器中?？梢源_定磁場的方向和移動構(gòu) 件沿路徑的位置之間的相關(guān)性?？梢曰趯Υ艌龅臏y量確定構(gòu)件沿路徑的絕對位置。沿路 徑移動構(gòu)件可以包括沿路徑移動電機(jī)的銜鐵。
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在另一方面，總體上，沿路徑移動構(gòu)件，隨著構(gòu)件相對于磁體沿路徑移動而改變磁 體的磁場的分布；并且基于對磁場定向的測量確定構(gòu)件在路徑上的位置。實現(xiàn)方式可以包括一個或多個下列特征。沿路徑移動構(gòu)件可以包括移動鐵磁元 件，其隨著構(gòu)件沿路徑移動改變磁場的分布。沿路徑移動構(gòu)件可以包括移動鋼元件，其隨著 構(gòu)件沿路徑移動改變磁場的分布。沿路徑移動構(gòu)件可以包括移動鐵磁元件，該鐵磁元件具 有隨著構(gòu)件沿路徑移動而變化的截面，該截面沿著垂直于路徑的平面。沿路徑移動構(gòu)件可 以包括沿路徑移動電機(jī)的銜鐵。磁體可以相對于電機(jī)的定子保持在固定位置。這些和其他方面和特征，以及其組合，可以表達(dá)為方法，裝置，系統(tǒng)，用于執(zhí)行功能 的裝置，程序產(chǎn)品，以及以其他方式表達(dá)。這些方面和特征可以具有一個或多個下列優(yōu)點。位置傳感器可以簡單并且低成 本，并且可以以低精度要求組合。對于每個位置傳感器可以使用少量的磁場方向傳感器和 磁場源。


圖1是定位系統(tǒng)的示意圖。
圖2是定位系統(tǒng)中使用的傳感器的示意圖。
圖3A是磁場方向傳感器的圖示。
圖3B是示出磁場分量的曲線圖。
圖4是示出定位系統(tǒng)中的磁場分布的圖示。
圖5和圖6是定位系統(tǒng)的示意圖。
圖7是有角度的伸長磁體的示意圖。
圖8A和圖8B是傳感器和有角度的磁體的截面圖。
圖9A和圖9B是示出磁場分布的圖示。
圖10是示出磁場分量和磁體偏移位置的關(guān)系的曲線圖。
圖IlA是伸長磁體的圖示。
圖IlB是示出磁場方向和磁體偏移位置的關(guān)系的曲線圖。
圖12A和圖12B是定位系統(tǒng)的示意圖。
圖12C是定位系統(tǒng)的截面圖。
圖13A和圖13B是示出磁場分布的圖示。
圖14是定位系統(tǒng)的示意圖。
圖15是微控制器板的框圖。
圖16是表示校準(zhǔn)查找表中存儲的數(shù)據(jù)的曲線圖。
具體實施例方式
參考圖1，在一些所限方式中，定位系統(tǒng)100使用低分辨率粗略位置感測和高精度 精細(xì)位置感測的組合來確定銜鐵106相對于線性電機(jī)102的定子104的精確位置。精細(xì)位 置感測可以使用位置傳感器組件120a和120b(—并稱為120)來實現(xiàn)。在一個示例中，位 置傳感器組件120a和120b包括磁場方向傳感器IlOa和IlOb (—并稱為110)，其提供高分 辨率相對位置測量；以及一系列霍爾效應(yīng)傳感器122 (見圖2)，其提供銜鐵106的末端點的低分辨率粗略位置測量。來自磁場方向傳感器110和霍爾效應(yīng)傳感器122的輸出由微控制 器322 (見圖15)處理，以確定銜鐵106的高分辨率的絕對位置。定子104包括用于讓可控電流通過以產(chǎn)生可控磁場的繞線或線圈。銜鐵106包括 一系列磁體(例如108a，108b...，一并稱為108)，用于產(chǎn)生與來自定子線圈的電磁場相互 作用的磁場，以產(chǎn)生用于移動銜鐵106的磁力。銜鐵106的位置和移動由外部控制系統(tǒng)(未 示出)控制，其基于各種信息例如銜鐵106的當(dāng)前位置適當(dāng)?shù)貙⒉煌娏魇┘拥讲煌€圈。 定位系統(tǒng)100的一個特征在于相同的磁體108既用于力產(chǎn)生(用于移動銜鐵106)，也用于 位置測量。這減少了定位系統(tǒng)100的成本，因為不需要為位置感測使用額外的磁體。定位系統(tǒng)100具有很多應(yīng)用。例如，系統(tǒng)100可以用作車輛的懸掛系統(tǒng)的一部分 來為駕駛員和乘客提供更好的舒適性。系統(tǒng)100可以幫助在崎嶇道路上行駛時維持車身穩(wěn) 定，并在激進(jìn)的操縱中保持車身平衡。定位系統(tǒng)100也可用作駕駛員座椅懸掛系統(tǒng)的一部 分，其保持駕駛員座椅穩(wěn)定并將駕駛員與車輛其他部分的震動隔離開來。圖1所示的定位系統(tǒng)100使用全行程線性電機(jī)102，這意味著銜鐵106可以延伸到 定子104的任一側(cè)(112a或112b)。在一些示例中，可以使用半行程線性電機(jī)。在此情況 下，可以使用單個磁場方向傳感器IlOa或IlOb來確定銜鐵在定子104的一側(cè)上半行程行 進(jìn)時的位置。文中所用的術(shù)語“傳感器”可以依上下文而具有不同含義。例如，傳感器可以是簡 單的感測裝置，比如霍爾效應(yīng)傳感器，霍爾效應(yīng)開關(guān)，或者磁場方向傳感器。傳感器還可以 是包括數(shù)據(jù)處理器的傳感器，其處理來自傳感裝置的信號并確定銜鐵的位置。參考圖2，位置傳感器組件120包括具有若干霍爾效應(yīng)傳感器122的電路板。在 一個示例中，霍爾效應(yīng)傳感器122分開一標(biāo)稱均勻的距離，該距離小于銜鐵磁體108分開的 距離。位置傳感器組件120的電路板位于相對于定子104的固定位置處?；魻栃?yīng)傳感 器122測量來自銜鐵磁體108的磁場并通過感測銜鐵106的末端磁體108a的近似絕對位 置，提供銜鐵106相對于定子104的低分辨率粗略絕對位置。這允許定位系統(tǒng)100確定銜 鐵106相對于定子104的近似絕對位置。最遠(yuǎn)離定子104的霍爾效應(yīng)傳感器122d放置為 使得它可以檢測當(dāng)銜鐵106處于其最遠(yuǎn)位置時的末端磁體108a的磁場。由于諸如在銜鐵 106的每一端的108a的末端磁體可以行進(jìn)到定子104中不能放置場方向傳感器110的位 置，所以霍爾效應(yīng)傳感器122放置在線性電機(jī)102的兩端，使得對于在銜鐵106的整個行程 上的任何位置，可以感測至少一個末端磁體。在一個實施例中，每個位置傳感器組件(120a 和120b)在其上工作的銜鐵運(yùn)動范圍(112a和112b)重疊。范圍112a和112b可以相等或 者不相等。還可以使用其他磁傳感器來檢測銜鐵磁體108以用于進(jìn)行粗略位置感測，諸如基 于磁阻的傳感器。參考圖3A，場方向傳感器110測量磁場方向130相對于參考方向132的角度θ 10 場方向傳感器110的示例包括2SA-10集成式2軸霍爾效應(yīng)傳感器，可從瑞士的Sentron AG 公司購得。場方向傳感器110可以通過測量磁場的兩個正交分量(例如χ和y分量)的比 率來檢測磁場方向的角度。場方向傳感器110內(nèi)在地補(bǔ)償磁場強(qiáng)度上的變動，因為變動趨 向于在兩個分量上成比例，所以它們的比率保持基本相同。參考圖3B，曲線圖156示出場方向傳感器110檢測的磁場的兩個分量，標(biāo)為Bx和By。每個分量Bx和By可以隨著銜鐵磁體108相對于場方向傳感器110移動而周期性地變 化。水平軸表示銜鐵移動的距離(毫米)，垂直軸表示Bx和By分量的振幅(高斯)。圖4示出定子線圈產(chǎn)生的電磁場140和銜鐵磁體108產(chǎn)生的磁場142的分布。磁 場142的方向沿銜鐵106的行進(jìn)方向141周期性變化。磁場142的方向在每次銜鐵106行 進(jìn)了跨兩個磁體108的距離時重復(fù)。場方向傳感器110可以確定銜鐵在兩個磁體108的距 離內(nèi)的位置，從而提供高分辨率相對位置感測。由于在銜鐵每一端的末端磁體108a可以行 進(jìn)到定子中不能放置場方向傳感器110的位置，所以霍爾效應(yīng)傳感器122位于電機(jī)102的 每一端，放置為使得對于在銜鐵106的整個行程上的任何位置，總有一個磁體在至少一個 霍爾效應(yīng)傳感器122之下。如果場方向傳感器110具有xl度的分辨率，并且銜鐵磁體108的節(jié)距(節(jié)距指兩 個磁體的距離)是P，則精細(xì)位置感測的分辨率為大約p*xl/180。在一些示例中，場方向 傳感器110可以具有0. 07度的分辨率，并且銜鐵磁體108可以具有5mm的節(jié)距。這得到 5mm*0. 07/180 = 0. 0002mm 的分辨率。通過組合來自霍爾效應(yīng)傳感器122的測量(其提供低分辨率絕對位置信息)和來 自場方向傳感器110的測量(其提供高分辨率相對位置信息)，可以獲得銜鐵106相對于定 子104的高分辨率絕對位置。在定位系統(tǒng)100組裝到電機(jī)之后執(zhí)行校準(zhǔn)過程。在定位系統(tǒng)100的最后組裝和測 試過程中，對于銜鐵106的多個位置中的每一個記錄霍爾效應(yīng)傳感器122和場方向傳感器 110的輸出。使用外部校準(zhǔn)的儀器測量銜鐵106的位置。校準(zhǔn)的銜鐵位置和它們對應(yīng)的來 自霍爾效應(yīng)傳感器122和場方向傳感器110的輸出被存儲在經(jīng)過校準(zhǔn)的查找表324內(nèi)(見 圖15)。之后，當(dāng)使用定位系統(tǒng)100時，從霍爾效應(yīng)傳感器122和場方向傳感器110獲得的 測量與經(jīng)過校準(zhǔn)的查找表324內(nèi)的值進(jìn)行比較，以確定銜鐵106的位置。可以使用表格值 之間的內(nèi)插來獲得不受表324本身分辨率限制的位置值。經(jīng)過校準(zhǔn)的查找表324允許使用低成本的、未校準(zhǔn)的傳感器。因為查找表在制造 過程的最后階段附近建立，可以增加制造容限。當(dāng)將傳感器輸出與經(jīng)過校準(zhǔn)的查找表324 比較時，可以補(bǔ)償定位系統(tǒng)100的傳感器或者其他部件在定位系統(tǒng)100的制造和組裝期間 的未對準(zhǔn)產(chǎn)生的誤差。場方向傳感器110位于足夠遠(yuǎn)離定子線圈的距離D，使得場方向傳感器110不受來 自定子線圈的磁場140的影響。該要求與霍爾效應(yīng)傳感器的位置要求兼容，從而位置傳感 器組件120的相同電路板可以用于保持霍爾效應(yīng)傳感器122和場方向傳感器110。還可以 使用磁屏蔽方案來防止來自定子線圈的場影響場方向傳感器110的位置處的銜鐵磁體場。參考圖5，在一些實現(xiàn)方式中，定位系統(tǒng)160使用置于銜鐵106 —側(cè)的一系列附加 磁體162，其具有小于銜鐵108的節(jié)距，以便提供精細(xì)位置信息。測量小節(jié)距磁體162產(chǎn)生 的磁場的方向的場方向傳感器(在圖中被其他部件遮擋)可用于確定銜鐵106的高分辨率 相對位置。通過組合來自霍爾效應(yīng)傳感器122的測量數(shù)據(jù)和來自場方向傳感器的測量數(shù) 據(jù)，可以確定銜鐵106的高分辨率絕對位置。在一些示例中，小節(jié)距磁體162包括具有交替極性的離散磁體。在一些示例中，磁 體162可以由具有帶交替極性的區(qū)域的條形磁體制成。離散磁體或者條形磁體可以放置在 鋼襯墊上。
圖1的示例使用檢測末端銜鐵磁體108a的霍爾效應(yīng)傳感器122來進(jìn)行粗略位置 感測?？梢允褂萌缦滤龅拇致晕恢酶袦y的其他方法。參考圖6，在一些實現(xiàn)方式中，定位系統(tǒng)170使用有角度的伸長的磁體172 (其是以 相對于銜鐵106的電機(jī)方向的一角度安裝的伸長的磁體)來產(chǎn)生粗略位置感測中使用的磁 場。伸長的磁體172可以類似于在冰箱磁封條中使用的條形磁體。伸長的磁體172延伸與 銜鐵106的行程長度相當(dāng)?shù)拈L度，并且，因為其以相對于移動方向的一角度安裝(該方向在 一示例中基本水平，如圖4 (141)所示)，可以提供具有在垂直于移動方向的平面中的跨整 個行進(jìn)長度變化的方向磁場分量。磁場方向的變化可以由磁場方向傳感器182(見圖7)檢 測，以提供粗略絕對定位信息。在一些應(yīng)用中，該絕對位置測量對于某些應(yīng)用可以提供足夠 的準(zhǔn)確度，并且不需要任何其他分量用于更細(xì)分辨率的測量。參考圖7，在一些示例中，伸長的磁體172可以是放置在鋼襯墊173上的單極性條 形磁體172，并定向為使得伸長的磁體172的長度方向174相對于銜鐵行進(jìn)方向176成角度 θ 2。伸長的磁體172的一端186在第一位置178，并且其延伸到在鋼襯墊173上的第二位 置處的另一端188。圖8Α是鋼襯墊173、傳感器182、以及伸長的磁體172的末端173的橫截面視圖。 圖8Β是鋼襯墊173、傳感器182、以及伸長的磁體172的另一端188的橫截面視圖。磁場傳 感器182放置為使得當(dāng)從銜鐵移動的方向觀看時，有角度的磁體172的末端186位于傳感 器182的左下側(cè)，并且條形磁體172的另一端188位于傳感器182的右下側(cè)。隨著銜鐵106 移動，場方向傳感器182附近的磁場分布相應(yīng)地改變。在此說明書中，術(shù)語“左”，“右”，“上”，“下”，“水平，，和“垂直”指的是圖中的部件
的相對位置。部件可以具有其他位置或定向。圖9Α示出伸長的磁體172的單極磁化的磁場190的分布。圖9Β示出伸長的磁體 172的雙極磁化的磁場190的分布。鋼襯墊173連接到銜鐵106，而場方向傳感器182位于 相對于定子104的固定位置。當(dāng)銜鐵106相對于定子104移動時，有角度的伸長的磁體172 相對于傳感器182移動。當(dāng)銜鐵106移動了其行程的完整長度時，場方向傳感器182從相 對于磁體172處于位置A改變到位置B。傳感器182定向為檢測磁場190的Bx和By分量。在此示例中Bx分量垂直于銜 鐵106的行進(jìn)路徑。By分量垂直于銜鐵106的行進(jìn)路徑并垂直于磁體172的上表面192。圖10為具有分別表示磁場190的Bx和By分量的振幅相對于銜鐵106的位置的 曲線202和204的曲線圖200。水平軸代表銜鐵移動的距離(毫米)，垂直軸代表Bx和By 分量的振幅(高斯)。通過限制給定磁條和鋼襯墊設(shè)計的連接角度，Bx和By分量的測量的 組合對整個行程來說對于銜鐵106的每個位置是唯一的。因此，場方向傳感器182的輸出 可以用于確定銜鐵106的絕對位置。參考圖11Α，伸長的磁體172示出為具有一個極。也可以使用具有兩個極的伸長的 磁體210。伸長的磁體210的兩個極定向為具有相反的極性從而當(dāng)以相對于銜鐵行進(jìn)方向 的一角度放置時，在跨越伸長的磁體210的長度上提供磁場方向更大的變化，如場方向傳 感器測量的。參考圖IlB，曲線圖220示出表示磁場方向和有角度的1個極的伸長的磁體172相 對于傳感器182在χ方向上的位置(見圖8Α和圖8Β)的2D有限元場關(guān)系的曲線222。曲線224示出磁場方向和有角度的2個極的伸長的磁體210相對于傳感器182在χ方向上的 位置的關(guān)系。在該示例中，每個磁體在χ方向上從_2mm偏移到+2mm。曲線222和224的比 較指示了有角度的2個極的伸長的磁體210的磁場方向的變化大約是有角度的1個極的伸 長的磁體172的磁場方向的變化的兩倍。曲線圖220中示出的關(guān)系是使用3. 4MG0e條形磁體做出的。磁體172和210定向 為使得在X方向上從磁體的一個端到另一端有4mm的偏移(例如圖9中位置A和B之間的 距離是4mm)。對于有角度的1個極的條形磁體172，磁場方向上的變化為69°。作為比較， 對于有角度的2個極的伸長的磁體210，磁場方向上的變化為152°。比較有角度的1個極的和2個極的伸長的磁體，使用有角度的2個極的伸長的磁 體210的好處是可以獲得更大的磁場方向變化。使用有角度的1個極的伸長的磁體172的 好處是，對于相同的總體磁尺寸，1個極的條形磁體172可以產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場，這在測量中 可以提供更高的信噪比。參考圖12A和圖12B，在一些實現(xiàn)方式中，定位系統(tǒng)230通過使用錐形的鋼刀231 來改變銜鐵106移動時磁場的分布，來獲得粗略位置信息。圖12B是圖12A的部分235的 放大圖示。磁場由一個或多個永磁體(例如232和290)生成，并且磁場方向由磁場方向傳 感器238檢測。圖12C是定位系統(tǒng)230的橫截面視圖?？梢蕴峁╀摬考?34，其中鋼部件234和鋼 刀231提供高導(dǎo)磁率路徑。鋼刀231例如可以是鋼片240的一部分。鋼片240可以具有連接到支撐244的部 分242，支撐242繼而又耦合到銜鐵106。鋼刀231從支撐244向外延伸并且具有錐形的形 狀，使得鋼刀231的一端246窄于鋼刀231的另一端248。鋼刀231的一部分通過傳感器 238和磁體290之間的區(qū)域296。當(dāng)磁體106在其完整行程上行進(jìn)時，鋼刀231在區(qū)域296 中的部分的寬度改變。因為鋼刀231具有比空氣更大的導(dǎo)磁率，所以改變鋼刀231在區(qū)域 296中的部分的寬度改變場方向傳感器附近的磁場的分布。圖13A和圖13B示出當(dāng)鋼刀231處于兩個不同位置時兩個永磁體232和290的磁 場分布的模擬。當(dāng)鋼刀231的較寬末端248在區(qū)域296中時(如圖13A所示)，較高密度 的磁通量穿過鋼刀231。在該示例中，場方向傳感器238檢測的磁場具有方向292。當(dāng)鋼刀 231的較窄末端246在區(qū)域296中時(如圖13B所示)，較低密度的磁通量穿過鋼刀231。 在該示例中，場方向傳感器238檢測的磁場具有方向294。這表示當(dāng)銜鐵106在其完整行程 上行進(jìn)時，磁場方向在方向292和方向294之間改變。諸如磁體數(shù)量，每個磁體的尺寸和位置，攜帶磁通量的鋼部件的尺寸和形狀，以及 場方向傳感器238的位置可以選擇為使得有足夠的磁場來允許場方向傳感器238正確地工 作，并且當(dāng)銜鐵106沿整個行程行進(jìn)時有足夠大的磁場方向差異。鋼刀231，場方向傳感器238，以及磁體232和290可以有不同的位置和定向來容 納各種設(shè)計限制，比如對可用空間的限制。參考圖14，在一些實現(xiàn)方式中，類似于定位系統(tǒng)230(圖12A)的定位系統(tǒng)298使 用鋼刀233和場方向傳感器238，其與系統(tǒng)230中的鋼刀和場方向傳感器相比旋轉(zhuǎn)了 90°。 隨著銜鐵106移動，鋼刀233延伸到場方向傳感器238和一個或多個磁體290之間的區(qū)域 316中的量改變，從而改變場方向傳感器238附近的磁場的分布，類似于圖12A中的情形。定位系統(tǒng)的定向可以被調(diào)節(jié)以利用線性電機(jī)的開放空間，以便減少定位系統(tǒng)和線性電機(jī)的 組合的總體尺寸。參考圖15，在一些實現(xiàn)方式中，定位系統(tǒng)100 (圖1)，160 (圖5)，170 (圖6)，230 (圖 12A)和298 (圖14)每個包括微控制器單元(MCU)電路板320a和320b，用于確定銜鐵106 的位置。MCU電路板320a包括微控制器322，其處理來自場方向傳感器IlOa的信號330a 和330b ( 一并稱為326)和來自位于第一側(cè)112a的霍爾效應(yīng)傳感器122的信號332a，332b， 332c等(一并稱為328)。MCU電路板320b包括微控制器322，其處理來自場方向傳感器 IlOb和來自位于第二側(cè)112b的霍爾效應(yīng)傳感器122的信號。在一些示例中，單個MCU可以 用于處理來自兩個電路板320a和320b的場方向傳感器110信號和霍爾效應(yīng)傳感器122信 號。信號330a和330b代表對磁場的兩個分量的測量，其可用于確定磁場的角度或者 方向。磁場方向可用于確定銜鐵106的高分辨率相對位置。信號332a，332b，和332c等， 代表來自霍爾效應(yīng)傳感器122的測量，并可用于確定銜鐵106的粗略絕對位置。微控制器 322組合信號326和328以確定銜鐵106相對于定子104的高分辨率絕對位置。MCU電路板 320a和320b執(zhí)行類似的位置測量，但是在銜鐵106的行進(jìn)的不同部分上，使得對于任何銜 鐵位置都有正確的位置測量可用。覆蓋區(qū)域的一些重疊可以在銜鐵的移動要求從一個電路 板的測量區(qū)域轉(zhuǎn)變到另一個電路板的測量區(qū)域時提供正確的測量。兩個測量區(qū)域之間大的 重疊提供的好處是允許位置讀取是從位于電機(jī)的相對端上的每個電路板的正確讀取的平 均。這種平均將趨向于消除熱膨脹效應(yīng)引起的位置誤差并減少來自隨機(jī)電噪聲的誤差。例 如，定位系統(tǒng)可以在寬溫度范圍，比如從_40°C到+120°C上提供準(zhǔn)確定位。MCU電路板320a 和320b相互通信，并且如圖所示，電路板320a上的MCU具有以下增加的任務(wù)確定目前提 供正確位置數(shù)據(jù)的一個或多個電路板，適當(dāng)?shù)臅r候進(jìn)行平均，以及將位置測量發(fā)送到要求 該數(shù)據(jù)的外部系統(tǒng)。在組裝并測試了定位系統(tǒng)100之后，執(zhí)行校準(zhǔn)過程，其中來自場方向傳感器110和 霍爾效應(yīng)傳感器122的測量與測量銜鐵106的位置的外部校準(zhǔn)的儀器做出的測量進(jìn)行比 較。經(jīng)過校準(zhǔn)的測量存儲在經(jīng)過校準(zhǔn)的查找表324中。參考圖16，曲線圖340示出了存儲在經(jīng)過校準(zhǔn)的查找表324中的經(jīng)過校準(zhǔn)的測量， 供在定位系統(tǒng)100(圖1)中使用。曲線圖340中的每個圓圈對應(yīng)于查找表324中存儲的測 量值。曲線圖340的水平軸代表銜鐵106的位置。在該示例中，銜鐵106行進(jìn)120mm，代表 測量電路板之一測量的行進(jìn)的部分。曲線圖340包括兩組數(shù)據(jù)。第一組數(shù)據(jù)342(由形成鋸齒形函數(shù)的圓圈表示)包括 從場方向傳感器110獲得的角度測量數(shù)據(jù)。第一組數(shù)據(jù)342指示出磁場方向隨銜鐵106的 位置周期性地改變。例如，當(dāng)銜鐵106從0移動到大約9mm時，磁場方向從大約125°改變 到359°。當(dāng)銜鐵106從大約9mm移動到大約21mm時，磁場方向從大約26°改變到330°， 等等。角度測量提供相對定位，因為每個角度值可以對應(yīng)于幾個可能的銜鐵位置。第二組數(shù)據(jù)344(由形成階梯形函數(shù)的圓圈表示)代表末端磁體位置，其由來自霍 爾效應(yīng)傳感器122的輸出確定。第二組數(shù)據(jù)344包括多個數(shù)據(jù)子集，每個子集對應(yīng)于霍爾效 應(yīng)傳感器122之一。例如，第一數(shù)據(jù)子集344a指示出當(dāng)銜鐵位置在大約0到9mm之間時， 第一霍爾效應(yīng)傳感器122a(見圖2)檢測銜鐵106的末端位置。第二數(shù)據(jù)子集344b指示出
10當(dāng)銜鐵位置在大約9mm到21mm之間時，第二霍爾效應(yīng)傳感器122b檢測銜鐵106的末端位 置，以此類推。在已經(jīng)建立了經(jīng)過校準(zhǔn)的查找表324之后，將來自傳感器的測量與查找表324中 的值比較，以確定銜鐵106的準(zhǔn)確位置。例如，來自霍爾效應(yīng)傳感器122的輸出與第二組數(shù) 據(jù)344比較以確定低分辨率絕對位置?；魻栃?yīng)傳感器信號可以用于確定銜鐵106是否位 于例如0到9mm之間，或者9到21mm之間，等等。來自場方向傳感器110的輸出與第一組數(shù)據(jù)342比較以確定高分辨率絕對位置。 例如，假定霍爾效應(yīng)傳感器122指示銜鐵106在9mm到21mm之間，并且場方向傳感器110 指示磁場方向具有約247°的角度。傳感器測量匹配查找表342中的數(shù)據(jù)點346，并且數(shù)據(jù) 點346指示銜鐵106處于約19mm的位置處。存儲在查找表324中的經(jīng)過校準(zhǔn)的測量的數(shù)量越多，后續(xù)的位置測量就可以越準(zhǔn) 確。查找表324可以存儲在諸如閃存或者電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)的非易失 性存儲器中。由于非易失性存儲器的容量，查找表324中可以存儲有限數(shù)量的經(jīng)過校準(zhǔn)的測量。如果磁場角度測量不匹配查找表324中存儲的值，則可以使用內(nèi)插過程來估計銜 鐵106的位置。例如，假定場方向傳感器110輸出角度測量X，并且查找表324具有角度值 Xn和Xn+1，其中Xn < X < Xn+1, Xn對應(yīng)于銜鐵位置yn，而χη+1對應(yīng)于銜鐵位置yn+1。使用線性 內(nèi)插，角度χ可以確定為對應(yīng)于銜鐵位置y = yn+Δ y，其中Ay = mn· Δχ，Δχ = X-Xn，并 且％= (yn+1-yn)/(xn+1-xn)。斜率％可以預(yù)先計算并存儲在查找表324中，以便減少M(fèi)CU執(zhí) 行內(nèi)插計算所需的時間?？缭?60度環(huán)繞不連續(xù)性的兩個角度值之間的內(nèi)插可以通過按需 要對其中的一個點添加或者減去360度的偏移來執(zhí)行，以便有效地消去環(huán)繞不連續(xù)性，并 接著執(zhí)行內(nèi)插。這些偏移值可以預(yù)先計算并存儲在表格中，以減少內(nèi)插計算時間。如圖16中可見的，磁場角度相對于銜鐵位置的關(guān)系不是連續(xù)的。這是由于角度值 被數(shù)學(xué)地限制到0到360度的范圍，導(dǎo)致當(dāng)?shù)?度以下或者升到360度以上時的瞬變，或 者環(huán)繞。類似地，銜鐵位置和從霍爾效應(yīng)傳感器輸出確定的粗略位置的關(guān)系也不是連續(xù)的。 為了增加銜鐵位置測量的準(zhǔn)確性，代表在不連續(xù)性發(fā)生的位置附近使用更小的位置增量進(jìn) 行的測量的額外數(shù)據(jù)點可以存儲在經(jīng)過校準(zhǔn)的查找表324中。盡管已經(jīng)描述了各種實現(xiàn)方式，其他實現(xiàn)方式也在以下權(quán)利要求的范圍內(nèi)。例如， 當(dāng)在圖1的定位系統(tǒng)100中使用線性電機(jī)時，[該電機(jī)具有有限的行程，使得在電機(jī)一側(cè)上 的銜鐵磁體總是暴露于傳感器，則只需要使用一個MCU電路板320。定位系統(tǒng)100，160，170， 230和298可以用于懸掛系統(tǒng)以外的應(yīng)用中，諸如確定各種機(jī)器例如機(jī)器人的移動部件的位置。在一些應(yīng)用中，僅粗略位置感測就可以提供足夠的精度。例如，當(dāng)定位系統(tǒng)170用 于不要求高精度銜鐵定位的應(yīng)用中時，僅基于有角度的伸長的磁體172的效果的粗略位置 感測可能就足夠了。類似地，當(dāng)定位系統(tǒng)230用于不要求高精度銜鐵定位的應(yīng)用中時，僅基 于錐形的鋼刀231的效果的粗略位置感測可能就足夠了。定位系統(tǒng)的部件可以具有不同于上述配置的配置并使用不同于上述材料的材料。 例如，可以使用各種類型的磁傳感器，諸如磁阻角度傳感器HMC 1501或者HMC 1512，可從 霍尼韋爾公司購得，或者基于霍爾效應(yīng)的場方向傳感器，可從Melexis Corp.購得?？梢允褂酶鞣N類型的磁體。磁體的南極和北極的定向可以不同于上述的那些。鋼刀231(圖12A) 可以具有各種形狀?？梢允褂靡粋€以上的鋼刀。鋼刀231可以替換為具有不同于空氣的導(dǎo) 磁率的非鋼材料。存儲查找表324的非易失性存儲器可以內(nèi)置于微控制器322中或者在其 外部。 與定位系統(tǒng)170，230和298 —起使用的經(jīng)過校準(zhǔn)的查找表可以不同于曲線圖340 表示的查找表。例如，用于定位系統(tǒng)170的經(jīng)過校準(zhǔn)的查找表可以包括針對不同銜鐵位 置， 對于有角度的磁體172產(chǎn)生的磁場的方向的經(jīng)過校準(zhǔn)的測量。用于定位系統(tǒng)230和240的 經(jīng)過校準(zhǔn)的查找表可以包括針對不同銜鐵位置，對于磁體232和290產(chǎn)生的磁場的方向的 經(jīng)過校準(zhǔn)的測量。查找表在定位系統(tǒng)的維護(hù)期間可以被更新和重新校準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種裝置，包括具有定子和銜鐵的線性電機(jī)，所述銜鐵沿一路徑相對于所述定子移動，所述銜鐵包括磁體；以及傳感器，用于基于對所述銜鐵的磁體產(chǎn)生的磁場的測量來確定所述銜鐵的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述傳感器檢測所述銜鐵的磁體之一的磁場。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中所述磁體中的一個位于所述銜鐵的末端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述傳感器確定磁場的方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述傳感器包括檢測所述銜鐵的第一末端的第一磁傳 感器，以及檢測所述銜鐵的第二末端的第二磁傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述傳感器補(bǔ)償磁場強(qiáng)度的變動。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中所述傳感器通過使用在第一方向上的磁場的第一測量 與在第二方向上的磁場的第二測量的比率來補(bǔ)償磁場強(qiáng)度的變動。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述傳感器測量在第一方向上的磁場以提供第一測 量，并測量在第二方向上的磁場以提供磁場的第二測量。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中第一和第二方向包括垂直于所述路徑的第一方向和垂 直于所述路徑的第二方向。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述傳感器包括磁傳感器，用于檢測銜鐵磁體的磁 場，所述磁傳感器與所述定子隔開以減少來自所述定子產(chǎn)生的磁場的干擾。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括存儲設(shè)備，用于存儲關(guān)于磁場的方向和移動構(gòu)件沿 路徑的位置之間的相關(guān)性的信息。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括模塊，用于計算磁場的方向和移動構(gòu)件沿路徑的位 置之間的相關(guān)性。
13.一種主動懸掛系統(tǒng)，包括具有定子和銜鐵的線性電機(jī)，所述銜鐵沿一路徑相對于所述定子移動，所述銜鐵包括 磁體；傳感器，用于基于對所述銜鐵的磁體產(chǎn)生的磁場的測量來確定銜鐵的位置；以及控制器，用于基于所述銜鐵的位置來控制所述線性電機(jī)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的主動懸掛系統(tǒng)，其中所述銜鐵耦合到座椅或者方向盤。
15.一種方法，包括使用來自線性電機(jī)的銜鐵的磁體的磁場以相對于定子移動所述銜鐵；以及基于測量所述銜鐵的磁體產(chǎn)生的磁場來確定所述銜鐵的位置。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，包括檢測所述銜鐵的末端處的一個磁體的磁場。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，包括確定磁場的方向。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，包括與所述定子隔開一距離來定位磁傳感器，并使用所 述磁傳感器來檢測所述銜鐵磁體的磁場，該距離選擇為減少來自所述定子產(chǎn)生的磁場的干 擾。
全文摘要
對用于車輛底盤的主動懸掛系統(tǒng)的線性電機(jī)(102)的位置檢測。從定子末端(104)延伸開的霍爾傳感器(122a-d)檢測距離運(yùn)動磁體(108)的末端位置。另一霍爾傳感器裝置(110a，b)檢測運(yùn)動磁體(108)的確切的場方向，從而提供精確的位置信號。替代的位置檢測固定到定子的、永久磁體(232，290)偏置的霍爾傳感器(238)檢測由固定到移動體的、運(yùn)動的、長的楔形鋼刀(231)導(dǎo)致的場變動。
文檔編號H02K41/03GK101971471SQ200980109157
公開日2011年2月9日 申請日期2009年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月25日
發(fā)明者D·A·巴斯科, R·F·奧戴 申請人:伯斯有限公司