专利名称：改进的位置编码器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种位置编码器，且具体地说，本发明涉及一种用于切换磁阻驱动器的位置编码器。
一般地，磁阻电机是以电动机的形式运行的，其中转矩是由其运动部件移向磁路的磁阻最小即激励线圈的电感最大的位置的倾向产生的。
在一种磁阻电机中，相绕组的激励是以受控的频率发生的。这些机器可以作为电动机或发电机工作。它们一般被称为同步磁阻电动机。在第二种磁阻电机中，提供了用于检测转子的角位置和作为转子位置的函数的相绕组的激励的电路。这第二种磁阻电机也可以是电动机或发电机，且这种机器通常被称为切换磁阻电机。本发明一般地适用于切换磁阻电机，包括作为电动机或发电机工作的切换磁阻电机。
图1显示了用于作为电动机工作的切换磁阻电机的切换磁阻驱动系统10的主要部件。输入DC电源11可以是电池或整流和滤波交流电源。电源11提供的DC电压在电控制单元14的控制下由功率转换器13切换到电动机12的相绕组上。这种切换必须正确地与转子的转角相同步，以使驱动器10能适当地运行。因此，通常采用一种转子位置检测器15来提供与转子的角位置相对应的信号。转子位置检测器15的输出还被用于产生速度反馈信号。
转子位置检测器15可以有很多种形式。在某些系统中，转子位置检测器15可以包括一个转子位置传感器，它提供输出信号，每当转子转动到需要功率转换器13中的装置的不同的切换设置的位置时，该输出信号就改变状态。换言之，转子位置检测器15可以包括一个相对位置编码器，每当转子转过预定的角度时，该相对位置编码器就提供时钟脉冲(或类似的信号)。
在其中转子位置检测器15包括转子位置传感器的系统中，转子位置传感器电路未能适当提供表示转子的角位置的输出信号的故障，会严重地降低性能，或者在最恶劣的情况下使电动机不能运行。在某些情况下，试图根据故障的转子位置传感器输出来控制机器的控制器14，会对机器和其余的控制电路部分造成损坏。
来自转子位置检测器15的精确信号的重要性，可以参考图2和3进行解释。图2和3解释释作为电动机的磁阻电机的切换。
图2一般地显示了按照箭头22接近定子极21的转子极20。如图2所示，完整的相绕组23的一部分被缠绕在定子极21上。如上所述，当绕在定子极21上的相绕组23的该部分被激励时，一个倾向于将转子极20拉入与对准的位置的力。
图3一般地显示了控制绕在定子极21上的相绕组23的部分的激励的功率转换器13的切换电路。当功率切换装置31和32被切换到ON时，相绕组23与DC电源相耦合且相绕组受到激励。
一般地，相绕组受到激励，以使转子以如下方式转动在转子的第一个角位置(称为启动角)，控制器14提供启动切换装置31和32的切换信号。当切换装置31和32被导通时，相绕组与DC母线相耦合，这使得在电动机中建立起增大的磁通量。只是这种作用在转子极上的磁通量产生了电动机转矩。随着机器中磁通量的增大，电流从DC母线提供的DC电源流过切换装置31和32并流过相绕组23。在某些控制器中，采用了电流反馈且相位电流的幅度，通过迅速地关断切换装置31和/或32中的一个或两者以限制电流，而得到控制。
在很多系统中，相绕组直到转子转动从而到达被称为“自由转动角”的位置时都保持与DC母线相连(或者在采用限制器的情况下与限制器相连。)当转子到达与自由转动角(图2中的位置24)对应的角位置时，切换器中的一个，例如31，被关断。因此，流过相绕组的电流将继续流动，但现在只流过切换器中的一个(在此例中为32)且只通过返回二极管中的一个(在此例中为34)。在自由转动期间，相绕组上的电压差很小，且通量基本上为常数。马达系统保持在这种自由转动状态，直到转子转动到一个被称为“关断”角(在图2中用位置25表示)的角位置。当转子到达该关断角时，切换器31和32关断且相绕组23中的电流开始流过二极管33和34。二极管33和34随后以相反的方向施加来自DC母线的直流电压，使得机器中的磁通量(因而相电流)降低。
在切换磁阻电动机中的相绕组的激励，在很大的程度上取决于对转子的角位置的精确检测。如果转子位置检测器出现故障且控制器继续对相绕组进行激励，电动机中就会产生危险的高电流，从而对电动机和控制器造成损坏。另外，当驱动系统出现故障时，经常需要测试各种控制和电动机部件以发现故障的元件。有一种具体表明马达的故障是由于转子位置检测器故障的显示器，因而不再需要进行不必要的测试和调整，是有利的。虽然某些复杂的转子位置检测器具有某些有缺点的显示电路，这些编码器比较昂贵并需要额外的硬件和适当的操作。已知的位置解码器不能在转子位置检测器故障时提供显示的提供低成本的紧凑转子位置检测器。
除了与检测器误差有关的问题以外，已知的用于切换磁阻电机的编码器系统经常因为对增值位置编码器提供的数字信号进行迅速处理以使相位激励能够在适当的时刻进行所需的昂贵电子设备，而受到限制。例如，在已知的系统中，可以采用一种增值位置编码器，它每当转子转动一周时就提供一种较大数目的数字时钟脉冲。在不采用昂贵的电子电路或高速处理器的系统中，要将增值编码器提供的大量的数字脉冲进行处理以使相绕组的激励与转子的角位置适当同步，是非常困难和昂贵的。
本发明的目的，是克服已知的位置检测器的这些缺点，并提供一种比较便宜的转子位置检测器，它当发生故障时提供一个显示而不需要复杂或昂贵的额外电路。另外，本发明提供了一种相对位置编码器，它包括一个增值和一个绝对编码器，并提供了一种用于通过采用重复增值位置信号来有效地控制相位激励的方法，该增值位置信号包括的数字脉冲的数目大于每转中绝对编码器中的状态改变的总数。来自增值编码器的重复信号的采用，使得电动机控制器的成本低廉且有效。
本发明还包括低成本且有效的控制系统，它包括改善的转子位置检测器，后者包括一组采用一种分辨率转动的检测器和第二组采用第二分辨率的检测器。根据本发明的一种实施例，第一组被用于证实第二组的正确运行。每组检测器可以由一或多个检测器组成。
根据本发明的一种实施例，提供了检测器故障检测器，用于从第一组位置检测器接收以高分辨率改变状态的位置信号，并从第二组位置检测器接收以较低的分辨率改变状态的位置信号。该检测电路在低分辨率的位置信号的状态之间监测高分辨率的位置信号的计数，并将该计数与一个预定值相比较，该预定值表示较低分辨率的位置信号的状态之间的高分辨率位置信号的期望计数。检测的计数与建议的计数值之间的任何显著不同，表明一个检测器中的误差。以此方式，根据本发明的检测器故障检测器电路能够检测切换磁阻机的位置编码器检测器故障。
通过以下结合附图对本发明的说明性实施例的详细描述，本发明的其他方面和优点将变得显而易见。在附图中图1显示了切换磁阻驱动系统的主要部件；图2显示了接近定子极的转子极和与定子极相联系的相绕组的部分的计算点；图3一般地显示了功率转换器中的切换电路，它控制与图2的定子极联系的相绕组的部分的激励；图4显示了改进的控制系统和用于控制切换磁阻驱动器的运行的位置编码器；图5a-5c更详细地显示了图4的编码器的结构；图6a-6b提供了电路的例子，这些电路可以被用于实施图4的倍频器；图7a和7b一般地显示了可被用来实施图4的角度控制器的电路的例子以及发送至和产生于该角度控制器的信号；图8显示了本发明的检测器故障检测器电路的一个实施例的一个例子；图9显示了用于图5的检测器故障检测器电路的一种时序图，该电路从图5a-5c的位置编码器接收位置信号；图10一般地显示了根据本发明的检测器故障检测器电路的另一实施例；图11一般地显示了图10的检测器故障检测器电路的运行流程图。
在这些附图中，类似的部分用类似的标号表示。
下面说明本发明的说明性实施例，这些实施例可以用检测器故障检测器电路实施，以有效地检测切换磁阻驱动系统的位置编码器的检测器故障。为了明确起见，在本说明书中并没有描述实际实施中的所有特征。
一般地，本发明包括改进的控制系统和位置编码器，用于控制切换磁阻电机的运行，如图4所示。参见图4，该系统包括控制器40，该控制器40从相对位置编码器42接收与转子的角位置对应的信号。响应于来自编码器42的信号，控制器40产生一个切换信号(或启动信号)，该信号确定控制相绕组的激励的功率切换装置(在图4中未显示)的切换状态。
在图4的实施例中，编码器42向控制器40提供的信号包括两组第一组42a和第二组42b。包括第一组42a的信号具有第一分辨率，它对应于转子的绝对位置，因为来自组42a的信号可以被用来在任何360度的范围内确定实际的转子位置。包括第二组42b的信号具有与增值位置对应的第二分辨率，因为包括组42b的信号提供了每转的整数脉冲数目，它表示了转子的相对运动但不表示其绝对位置。在图4的实施例中，第一组的分辨率小于第二组的分辨率，且包括第一和第二组42a-b的编码器42的输出信号包括一系列的数字脉冲。
图5a-5c更详细地描述了编码器42的结构。在图5a-5c的实施例中，编码器42包括盘形叶轮50和检测器51a、51b和51c以及52a和52b。图5a提供了盘形叶轮50的立体图。图5b和5c详细显示了盘形叶轮50并显示了根据本发明的检测器51a-c和52a-b的定位。
参见图5b，盘形叶轮50包括双分辨率盘形叶轮，它包括两组齿53和56。第一组齿53包括八个伸出的齿53a-h，它们确定了八个与齿53a-h对应的遮光区(这里呼叫“标志”区)和八个透光区54a-h(称为“空间”区)。在图5的实施例中，齿53a-h都具有相同的宽度并具有适当的尺寸，以使标志区的角范围基本上等于空间区的角范围。
图5b和5c显示了如何用第一组齿53来提供第一分辨率的数字编码器，该编码器提供了表示转子相对于定子的绝对位置的信号。参见图5b，三个检测器51a至51c被用来与盘形叶轮50一起提供第一组数字信号。在图5a-5c的实施例中，三个检测器51a-51c包括带口的光检测器，这些光检测器彼此相距大约15°地定位，如图5c所示。光检测器51a-51c进一步地得到定位，以使它们接收八个齿53a-h。在操作中，三个检测器51a-51c中的每一个，当齿53a-h中的一个处于与检测器相联系的开口中时，都提供第一逻辑电平(例如逻辑“1”)的数字信号，并当与该检测器相联系的开口为空时提供第二逻辑电平(例如逻辑“0”)的数字信号。因此，当齿53a-h转过检测器51a-51c时，这些检测器的输出一起提供了对转子的绝对位置的表示。
参见图5b，可以注意到，盘形叶轮50还包括第二组齿56。在图5a-5c的实施例中，第二组齿56包括一百二十个齿，这些齿具有相同的宽度并具有适当的尺寸以提供一百二十个遮光区(称为“标志”区)和一百二十个透光区(称为“空间”区)。
图5b和5c显示了如何用第二组齿56来提供第二分辨率的数字编码器，它提供了包括转子的增值位置的信号。参见图5b，两个检测器52a和52b被用来与盘形叶轮50一起提供第二组数字信号。在图5a-5c的实施例中，两个检测器52a-52b包括带口的光检测器，这些光检测器相距约0.75°地定位，如图5c所示。光检测器52a-52b得到进一步的定位，以接收一百二十个齿，这些齿包括第二组齿56。检测器52a-52b以与上述检测器51a-51c类似的方式运行。通过按照以下的方式监测检测器52a和52b的输出，可以在转子每转过0.75°的高分辨率转动增值时产生一个数字脉冲。从对检测器52a和52b的这种监测获得的数字脉冲，构成了具有第二分辨率的第二组信号的例子。
应该注意的是，图5a-5c中显示的具体的编码器42只是举例性的，且本发明可以被应用到其他类型和结构的叶片、检测器和其他形式的位置编码器。例如，每组的齿的数目可以改变，检测器的位置和数目也可以改变，而不脱离本发明的范围。另外，重要的是采用盘形叶轮或确定遮光和透光部分的叶片。可以采用其他类型的叶片和检测器。例如，叶片可以由磁标志区和非磁空间区域组成，且检测器可以包括霍尔效应装置。类似地，叶片可以包括铁磁材料的齿且切换磁阻电机可以是磁检测器形式的。导出数字信号的其他装置包括变化的电容或电感区和检测这种变化的适当检测器。另外，可以采用光反射变化而不是光透射率变化的区域。应该注意的是图5c中的检测器的间隔，使得它们的输出信号当标志与空间区通过时沿着特定的序列。如果没有足够的空间，例如将所有或两个检测器设置在有限的角范围内，显然每一个检测器可以处于其各自的位置但相对于邻近的检测器定位，以使其受到不同的标志/空间的影响，但处于适当的时刻。如果考虑到标志区具有间距圆周直径(PCD)，在PCD上的一个检测器的位置可以改变一或多个标志/空间间距而不改变这些检测器产生的波形的时序。因此，本发明不限于图5a-5c具体显示的编码器，而是可以被应用到产生第一分辨率的第一组信号和第二分辨率的第二组信号的其他编码器。
参见图4，本发明的控制器40接收来自编码器42的两组输出信号，并利用这些信号控制对电源装置的切换以控制切换磁阻电机的相位绕组的激励。可以注意到，来自编码器42的第二组数字输出信号被提供到一个倍频器44。倍频器44接收来自编码器42的第二分辨率的第二组信号并产生一个高频时钟信号(HF时钟信号)，该时钟信号被角度控制器46用来控制对机器的相绕组的激励。虽然在图4中没有显示，也可以用这样的实施例，其中倍频器44接收来自编码器42的第一组信号并从该第一组信号产生HF时钟信号。
图6a-6b提供了用于实施图4的倍频器44的电路的例子。图6a显示了当来自编码器42的第二组信号被提供到倍频器44时可以采用的电路。图6b显示了当来自编码器42的第一组信号42a被提供到倍频器44时可以采用的电路。
参见图6a，第二组数字信号42b被加到增值检测器60上，后者监测来自检测器52a和52b的信号并产生一个信号—该信号当转子转过预定的高分辨率增值转动时改变状态。在图6的实施例中，增值检测器60包括一个异或(XOR)门电路。来自增值检测器60的输出是一系列的时钟脉冲，其中各个时钟脉冲对应于转子的高分辨率转动增值。来自增值检测器60的一系列时钟脉冲被加到八位向上计数器61的复位输入端。因此，向上计数器61接收检测器52a和52b产生的一系列数字脉冲，该数字脉冲是由转子的每一次完全转动的预定数目的脉冲组成的。八位向上计数器61的时钟输入经过一个÷N除法器63而被耦合到系统时钟，其中N是一个整数且在此例中其值为4。该系统时钟可以具有相对于包括编码器42提供的第二组数字信号的数字脉冲的频率来说非常高的频率。在操作中，向上计数器61在编码器42提供的第二组数字信号中出现的脉冲的每一个上升或下降缘被复位。向上计数器61随后将响应于分频的系统时钟而计数，以提供与转子的角速度对应的时钟输出。例如，如果转子以第一速度(例如较慢的速度)转动，向上计数器61将被不那样频繁复位，因而向上计数器61的最大计数将较高。如果转子的角速度增大到一个第二速度，计数器61将更为频繁地被复位，且计数器61的最大输出将较低。一般地，计数器61的输出将是与电动机速度成反比的八位最大计数值。计数器61的最大输出可以响应于编码器42提供的第二组数字信号中的一个脉冲而被提供到可编程除法器62。
来自向上计数器61的八位数字输出，被加到可编程除法器62的控制输入端。可编程除法器62接收系统时钟作为其时钟输入。如本领域的技术人员可以理解的，可编程除法器62具有标准的标准并提供一个输出时钟信号，该时钟信号的频率为加到其时钟输入端上的信号的频率的一个分数值。在图6a-6b的实施例中，可编程除法器是这样类型的，即其中输出的时钟频率等于输入的时钟频率除以控制输入端处接收的八位数字字代表的数。因此，可编程除法器62提供了一个高频数字时钟信号(HF时钟信号)，它的频率与包括来自编码器42的第二组信号的数字脉冲的频率成正比地变化。由于包括来自编码器42的第二组信号的数字脉冲的频率与电动机的速度成正比地改变，HF时钟信号信号的频率与电动机的速度成比例地改变。
虽然在图6a-6b中没有显示，在其中分频系统的频率使向上计数器61在来自编码器42的相继时钟脉冲之间容易溢出的实施例中，向上计数器61的位数可以相应地增大。
图6b显示了用于当来自编码器42的第一组组42a被提供到倍频器44时实施倍频器44的电路。图6b的电路的操作方式与结合图6a描述的方式类似，只是计数器61每当转子转过组42a代表的转增值时得到复位。
逻辑电路64监测组42a并每当包括组42a的信号改变状态时提供一个时钟脉冲。当图6b的电路被采用时，来自编码器42的高分辨率脉冲串42b对于实现电动机驱动来说不是必要的。在这种方法中，可以采用一提供一个脉冲串的简单的RPT。
参见图4，来自倍频器44的高频时钟信号被加到角控制电路46和限流控制电路47。一般地，角控制电路46和限流控制电路47响应于HF时钟信号和来自编码器42的信号，以提供用于电源装置的切换信号。当限流方法对于控制相绕组中的电流有效时，限流控制器47可以被用于较低的角速度，且当电动机速度较高且限流控制不那样有效时可以采用控制器46。一般地，角度控制器46和限流控制器47接收来自编码器42的数字转子位置信号，并将来自编码器42的该转子位置信号与对应于所希望的操作条件的导通和关断角度的信号相比较。当适当的控制器判定转子处于与启动角对应的位置时，产生一个切换信号，以使适当的电源装置激励适当的相绕组。当来自编码器42的转子位置信号表示转子处于与关断角对应的位置时，适当的控制器产生一个切换信号，以关断适当的切换装置并去除对适当的相绕组的激励。如果限流控制被采用，控制器47可以在启动和关断角确定的时期之间产生限流信号，以控制相绕组中的电流。这些技术对切换磁阻驱动领域的技术人员是众所周知的。
在图4的实施例中，启动和关断信息由控制规则表48提供，该表包括作为其代表转矩需要的输入的信号和电动机的实际速度。在图4的实施例中，控制规则表48可以包括一个查询表，该表包括在EPROM中的预插值矩阵，它包含用于若干速度/转矩需要组合的适当的启动和关断数据。这种启动和关断数据可以从经验导出或计算出。其他的实施例也是可以得到的，其中控制规则表48包括散矩阵且微处理器或ASIC可以被用于实时计算适当的启动和关断角。
图7a一般地显示了可以用于实施图4的角度控制器46的电路的例子。如图7a所示，角度控制器46可以包括一个八位向上计数器70，它作为其时钟输入而接收在上面结合图6讨论的HF时钟信号。如所示，该HF时钟信号包括一系列的时钟脉冲，这些脉冲是以与转子的角速度成比例的频率发生的。向上计数器70的复位输入端被耦合到脉冲串51a。
参见图7a，八位计数器70每当脉冲串51a中出现边缘时就被复位。在图7a的实施例中，向上计数器70在每一个上升边缘上被复位，虽然在其他的实施例中计数器70可以在下降缘上被复位。由于计数器70是在对应于相对定子极的转子极的绝对位置的点处被复位的，且由于计数器70是由与转子的速度成比例改变的HF时钟信号进行时钟输入的，向上计数器70的运行输出将是随着时间而增大的数字，其中该数字的值将与转子的位置对应。这由图7b的角控制斜坡信号一般地说明。
参见图7b，向上计数器70的输出由角控制斜坡所表示。如图7b所示，在时刻T0，计数器70将接收信号51a的上升缘。该上升缘将复位计数器70而使其输出下降到零。如上所述，该上升缘的外貌表示转子极已经到达相对于定子极的绝对位置。在计数器70被复位之后，其输出将响应于每一个HF时钟信号脉冲而增大，直到在时刻T4出现了脉冲串51a的下一个上升缘。由于HF时钟信号脉冲以与转子的速度成成比的速率出现，计数器70的输出将与转子的位置对应。
参见图7a，计数器70的数字输出对应于转子位置，并可以被用来产生切换信号或启动信号，以控制电源装置来激励或去激励有关的相绕组。特别地，在图7a中，采用了一个八位比较器72来检测转子什么时候到达启动角，从而使适当的切换装置能够被启动。如图7a所示，比较器72在其A输入端接收一个来自控制规则表48并对应于所希望的启动点的八位字。比较器72在其B输入端接收来自计数器70的运行输出。在图7a的实施例中，比较器72每当其A输入超过了其B输入时就提供一个逻辑高输出。
因此，当对应于希望的导通角的信号超过计数器70的现行输出时，比较器72的输出为逻辑高(“1”)，其它时间为逻辑低(“0”)。该信号被反相器73反相，以提供一个数字信号，当计数器70的现行输出超过表示导通角度的信号时，该数字信号为逻辑高。
在类似的方式下，比较器74的A输入端接收来自控制规则表48的对应于所需导通角度的数字字，其B输入端接受计数器70的现行输出。同比较器70一样，比较器74产生一个输出信号，当其A输入端的字超过B输入端的字时，该输出信号为逻辑高(“1”)。因此，比较器74在计数器70的输出超过对应于关断角度的信号时产生一个逻辑低(0)信号。
来自比较器72的反相输出和来自比较器74的输出均加到AND门75。因此，仅当计数器70的现行输出大于表示导通角的信号且小于表示关断角的信号时，AND门75将提供一个逻辑高的数字信号。然后，来自AND门75的输出信号通过一个图7a未示出的电路用于控制适当相绕组的激励。比较器72和74以及AND门75的操作在图7b中说明，其中来自AND门75的输出代表一系列用于控制电机激励的脉冲。
本领域技术人员将会理解，图7a示例性的控制系统是基本的，并不包括用于实施更复杂控制功能比如自由转动的电路。这样的附加功能可容易地加到图7a的电路(例如，增加另一比较器)，而不背离本发明的精神和范围。然而，图7a仅表示单相控制电路。一般来说，对电动机的每一相的电路相同，当该驱动装置从电动机方式运转到发电机方式时附加电路(未示出)用来改变对角度控制斜波复位的边沿，使之从上升沿复位到下降沿复位。例如，图7a的电路按来自传感器51b或51c的脉冲串对向上计数器70反复复位。很显然，图7a的控制器的技术和电路可延伸到多相电动机。此外，图7a的控制电路一般地说明了角度控制器。该控制器可修改为包括一个限流电路，其将导通和关断角之间的间隔期间的相绕组中的实际电流与所需电流比较；当实际电流满足或超过所需电流时，对相电流限流。
图4的控制器能对切换磁阻电机进行有效控制，无需昂贵的绝对位置编码器或处理电路。因此，图4所示的本发明控制器提供了一个价廉且高效的控制系统。
除了提供了比较有效的、低成本的、图4所示的控制器以外，本发明的系统，特别是提供第一分辨率的第一组信号和第二分辨率的第二组信号的编码器的采用，使得能够采用一种新颖的检测器故障检测器电路来检测检测器51a-51c和52a-52b。
一般地，本发明的检测器故障检测器电路从至少由一个位置检测器组成的第一组位置检测器接收具有第一分辨率的位置信号，并从由至少一个位置检测器组成的第二组位置检测器接收具有第二分辨率的位置信号。该检测电路监测来自至少一个位置检测器组成的第一组和由至少一个位置检测器组成的第二组的位置信号，并通过分析具有第一分辨率的位置信号与具有第二分辨率的位置信号之间的关系来检测位置检测器的故障。
图8显示了本发明的用于一个方向的转的检测器故障检测器电路的一个实施例的例子。如上所述，该检测器故障检测器电路作为其输入而接收来自编码器42的检测器51a-c的第一组输出42a和来自编码器42的检测器52a-b的第二组输出42b。
检测器故障检测器电路作为至增值检测器80的两个输入而接收来自编码器42的检测器52a-b的第二组输出，而增值检测器80判定转子是否已经转过了预定高分辨率的转增值。在此实施例中，增值检测器80包括一个“异或”门82，后者提供一个脉冲，而该脉冲每当来自检测器52a-b表明转子已经转过了预定高分辨率的增值时就改变状态。来自“异或”门82的输出信号对一个上/下计数器83进行定时。以此方式，上/下计数器83对转子在对计数器83复位以来的高分辨率增值的转数进行跟踪。
来自编码器42的检测器52a-b的第二组输出信号，也被输入到方向检测器84，后者确定转子的转动方向，且方向检测器84的输出被提供给上/下计数器83的上/下输入端，并控制计数的方向。
图8的检测器故障检测器电路通过监测低分辨率检测器51a-c的每一次状态改变之间出现的高分辨率增值的数目，来判定检测器51a-c或检测器52a-b中的任何一个是否有故障。因此，在图8的实施例中，提供了一个解码器85。图8的解码器85提供了具有一个持续时间的数字脉冲，该持续时间由检测器51a-c的输出的相继状态改变来确定。来自解码器85的输出被作为至缓冲器86的输入而提供，而缓冲器86在其Q输出端反射来自解码器85的输出，并在其Q输出端提供解码器85的输出的补码。
缓冲器86的Q输出被加到上/下计数器83的复位输入端上，并被用来在每次出现检测器51a-c的输出状态改变时对计数器进行复位，这从解码器85提供了逻辑高输出。计数器随后将向上(或下)计数，并将提供代表转子的高分辨率增值的累积转动数的运行输出。比较器87和89接收来自计数器83的运行计数，并将其与代表转子的高分辨率转动增值范围的预定值相比较，该预定值是当所有检测器正常运行时预期在检测器51a-c的输出的相继改变之间出现的。在图8的实施例中，这些值是4和6。这些值得到选择，是由于当检测器52a和52b正常运行时，各个高分辨率增值使增值检测器80产生一个上升缘信号。由于低分辨率脉冲的边缘不一对与高分辨率脉冲的边缘相对准(在实际中这种对准是由叶片50的齿与检测器的相对位置确定的)，在低分辨率脉冲期间出现的高分辨率脉冲的数目将在驱动器的适当工作期间改变。在此实施例中，它将在4与6之间变化。比较器87将其输入端的数字字进行比较，并每当来自计数器83的计数小于期望的低值(即在此实施例中为4个脉冲)时产生一个逻辑高输出。类似地，比较器89当脉冲数小于上限值(即在此实施例中的6个脉冲)时产生一个逻辑高。
在来自编码器42的第一组输出(即来自检测器51a-c的输出)的下一个状态改变，来自解码器85的输出将下降到逻辑低，并触发锁存器88和90，而这些锁存器分别锁存比较器87和89的输出。如果比较器87或89的输出为逻辑高(表明高分辨率脉冲的数目处于期望范围之外，即所有检测器都不运行)则来自比较器87或89的逻辑高输出被锁存到锁存器88或90中，以产生一个故障信号。如果计数器83的输出处于期望的范围内，比较器87和89都产生逻辑低信号，该信号被锁存到锁存器88和90中，以产生表示检测器正常运行的信号。
图9显示了用于图5的检测器故障检测器电路的时序图的一个例子，该检测器故障检测器电路从图5a-5c的用于转子的22.5°转动角的位置编码器因而即盘形叶轮50的22.5°转动的接收位置信号。信号52a代表来自编码器42的位置检测器52a的位置信号，且信号52b代表来自位置检测器52b的位置信号。在52a和52b以下的信号代表“异或”门82的输出。检测器51a、51b和51c的输出在检测器52a、52b的输出以及“异或”门82的输出之下。在上述的具体实施例中，来自检测器52a和52b的信号具有比来自检测器51a-51c的信号高的分辨率。如从图9的时序图中可见，检测器51a-51c的第一个状态改变发生在点P0，在热力学来自检测器51a的输出从逻辑低电平改变到逻辑高电平。该状态改变将使解码器85的输出从逻辑低变到逻辑高，且如图9所示，将相应地使缓冲器86的Q输出从逻辑低变到逻辑高。这将复位计数器83，如图9中的计数器输出表所示。此时，由于计数器83的输出小于期望的较低值，比较器87的输出将处于逻辑高。
在复位信号在点P0将计数器83复位之后，该计数器被“异或”门82的输出所定时，从而从复位计数转动的高分辨率增值的数目。在计数器83接收到四个时钟脉冲的点，其输出将为四且比较器87的输出将下降到逻辑低。
在点P1，当检测器51c的输出从逻辑高下降到逻辑低时，检测器51a-c的输出将出现另一个状态改变。此时，缓冲器86的Q输出将下降到逻辑低和缓冲器86的Q输出的改变将把比较器87的输出锁存到锁存器88中，以提供一个故障信号。由于在此例中比较器87的输出为逻辑低，锁存的故障信号是逻辑低，表明检测器正在适当运行。
从点P1至P3的波形显示了图8的电路如何被用于检测检测器故障。在图9的例子中，假定检测器52b已经出现故障因而其输出始终是逻辑低。在点P3检测器51a-c的输出的下一个状态改变出现且计数器83被复位。象前面一样计数器被“异或”门82的输出所定时。在此例中，由于检测器52b的输出总是逻辑低，“异或”门82的输出将跟踪检测器52a的输出。因此，当检测器51a-c的输出中的下一个状态改变在点P3出现，且比较器87的输出被锁存到故障信号时，计数器83将已经接收到少于四个的时钟脉冲。这样计数器83的输出将小于期望的较低值，且比较器87的逻辑高输出将被锁存到表示检测器故障的故障信号。
控制电路(未显示)能够监测检测器故障检测器电路的输出，以确定何时出现了检测器故障。在检测器故障出现时，控制电路能够停止驱动器的操作，切换到辅助定位方案或进行某些类型的故障检测特征。
虽然上述例子解决的是检测器52b的故障，从对图8的电路的分析可以见出，任何其他检测器51a-c和52a的故障都将产生一个故障信号，而该故障信号表示出现了检测器故障。
另外，虽然图8的实施例显示了包括分立和分离部件的检测器故障检测器电路，但可以由此作出这样的实施例，其中利用相同的电路的电路被用在电路的其他部分。例如，可以将图4的控制器将图8的检测器故障检测器电路结合在一起，从而使同一电路被用于增值检测器61和80。还有，可以作出本发明的替换实施例，其中用适当编程的微处理器来进行图8的电路所执行的一般功能。图10和11显示了一种这样的实施例。
图10一般地显示了检测器故障检测器电路的另一种实施例，其中一种编程微处理器或微控制器126接收具有第一分辨率的第一组位置信号128和具有第二分辨率的第二组位置信号130。电路126监测输入信号130和128并当出现位置检测器故障时在线132上提供故障信号。检测器故障检测器电路126可以包括一个专用集成电路(ASIC)，它判定位置信号128与130之间的关系是否与正常的位置检测器运行相一致。或者，检测器故障检测器电路126可以包括一个运行适当软件的微处理器和存储以及比较来自位置检测器组的位置信号所需的存储装置。
图11显示了一般的流程图，它显示了检测器故障检测器电路126的操作。在步骤134，检测电路126判定来自第二组位置检测器52a-52b的位置信号130是否表明转子已经移动了一个高分辨率增值。当位置信号130表明这种移动时，检测电路126随后在步骤136判定转子是向前还是向后运动。如果转子是向后移动，在步骤138一个计数变量被减一，且如果转子是在向前移动，则在步骤140该计数变量被加一。随后在步骤142，检测电路126从来自第一组位置检测器51a-c的位置信号128判定在位置信号128中是否已经出现了状态改变。如果没有，检测电路126返回到步骤134。如果出现了，在步骤144，检测电路126将存储在计数变量中的值与一个期望值相比较，而该期望值代表由位置信号128的状态改变之间的位置信号130表示的增值数目。如果计数值处于期望范围之外，则出现了位置检测器故障。但如果计数值处于期望范围之内，则计数变量在步骤148得到复位，且检测电路126返回到步骤134。
还可以提出进一步的替换实施例，它们采用了具有不同分辨率的增值编码器或具有不同分辨率的两个绝对编码器。另外，虽然本发明的实施例包括逻辑电路、ASIC或微处理器，本领域的技术人员将理解的是本发明能够由适当编程的微处理器、具体的逻辑电路或模拟电路来实现。
虽然已经结合转动机器对本发明进行了描述，本领域的技术人员将理解的是相同的操作原理也适用于线性位置编码器而能够达到相同的效果。例如，本领域的技术人员将理解，磁阻电机(象其他类型的电机一样)可以被作成线性电动机形式的。线性电动机的运动部件在现有技术中被称为转子。在这里所用的术语“转子”应该也包含线性电动机的运动部件。
因此，在上述的例子和讨论中借助例子而公开的本发明的原理，可以借助各种类型和设置的电路来实施。本领域的技术人员将容易理解的是，各种其他的修正和改变，可以在不脱离所附权利要求书限定的本发明的精神和范围的前提下，在不严格地按照所显示和描述的举例性应用的情况下作出。
权利要求
1.用于可变磁阻机的位置编码器，包括一个部件，它具有产生第一分辨率的输出信号的第一组标志和用于产生第二分辨率的第二输出信号的第二组标志；第一检测器装置，用于被第一检测器装置与第一组标志之间的相对运动所影响，以产生表示该运动的第一输出信号；第二检测器装置，用于为第二检测器装置与第二组标志之间的相对运动所影响，以产生表示该运动的第二输出信号；以及分析装置，用于比较第一和第二输出，以判定在来自检测器装置的第一或第二输出中是否有误差。
2.根据权利要求1的编码器，其中第一和第二组标志得到适当设置以影响第一和第二检测器装置，以根据相应的第一和第二分辨率来产生数字输出。
3.根据权利要求1或2的编码器，其中分析装置包括能够计数第一输出信号在第二输出信号的转变之间的间隔中的转变的计数器装置以及用于当第一输出信号的所述转变的计数处于预定范围之外时表示误差状态的装置。
4.根据权利要求3的编码器，其中表示装置包括阈值装置，该阈值装置响应于计数器的高于预定值的输出。
5.根据权利要求1至4中任何一项的编码器，其中第一和第二检测器装置得到适当设置，以在部件转动时受到该部件的影响。
6.根据权利要求1至5中任何一项的编码器，其中第一分辨率是第二分辨率的整数倍。
7.根据前述权利要求中任何一项的编码器，其中第一和第二检测器装置得到适当设置，以使第二信号输出中的改变与第一信号输出的选定个基本上重合。
8.根据权利要求1至7中任何一项的编码器，其中在部件上的第一和第二标志包括第一和第二齿，第一和第二检测器响应于这些齿的通过。
9.根据权利要求8的编码器，其中检测器是光检测器，且第一和第二齿限定了遮光和透光区。
10.根据权利要求1至9中任何一项的转子位置编码器，其中第一检测器装置包括两个位置检测器，且其中第二检测器装置包括三个位置检测器。
11.根据权利要求11的转子位置编码器，其中增值检测器包括一个异或门。
12.在前述任何一项权利要求中所述的转子位置编码器，包括用于接收第一输出的解码器，该解码器产生一个第一解码器信号，该第一解码器信号在第一输出信号的状态改变时改变状态；接收第二输出信号的增值检测器，该增值检测器产生一个第二检测器信号，该第二检测器信号在第二组信号改变状态时改变状态；用于接收第一和第二输出信号的计数器，其中该计数器响应于第一信号的状态改变而得到复位，且其中计数器的输出响应于第二输出信号的状态改变而得到增值改变；用于接收计数器的输出和与一个较低预定值对应的信号的第一比较器，该第一比较器当计数器的输出小于较低的预定值时产生一个具有第一状态的输出；以及用于监测第一比较器的输出并当第一比较器的输出在第一组信号的状态改变时处于第一状态时表示转子位置编码器的故障的装置。
13.根据权利要求12的转子位置编码器，进一步包括用于接收计数器的输出和对应于较高预定值的信号的第二比较器，该第二比较器当计数器的输出大于该较高预定值时产生一个输出。
14.根据权利要求13的转子位置编码器，其中用于监测第一比较器的输出的装置包括这样的装置，即该装置用于监测第二比较器的输出并在第一比较器或第二比较器的输出当第一输出信号的状态改变发生时处于第一状态时表示编码器的故障。
15.根据权利要求12、13或14的转子位置编码器，其中计数器的输出响应于第二输出信号的状态改变而得到增值。
16.根据权利要求12、13、14或15的转子位置编码器，其中用于监测比较器的输出的装置包括一个锁存，该锁存接收比较器的输出，其中锁存响应于第一输出信号的状态改变而得到触发。
全文摘要
用于位置编码器的检测器故障检测器电路，该检测器故障检测器电路从至少一个位置检测器的第一组接收其状态以高分辨率改变的位置信号，并从至少一个位置检测器的第二组接收其状态以低分辨率改变的位置信号，该检测电路监测在低分辨率的位置信号的状态之间对高分辨率的位置信号的计数，并将该计数与预定范围相比较，其中该预定范围代表了处于低分辨率的位置信号的状态之间的高分辨率的位置信号的一个期望计数值。
文档编号G01D5/245GK1156242SQ9610296
公开日1997年8月6日 申请日期1996年3月28日 优先权日1995年3月28日
发明者戴维德·马克·苏格登 申请人:开关磁阻驱动有限公司