专利名称：增加分辨率及确定位移方向的电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种增加电信号、尤其是由速度及位移传感器发出的电信号的分辨率的电路。
速度或位移传感器通路是通过一个移动式多极磁编码器及霍尔效应或磁阻型常数字输出的传感器来实现的，它们具有的分辨率低。
目前，公知的增加速度或位移传感器分辨率的第一种方法在于，减小编码器极的周期宽度。但是，这样得到的周期数目的增加受到被传感器自由检测的磁场削弱的限制，这种削弱应该用减小传感器及编码器之间的间隙来补偿。由于可供自由支配的空间受限制，这种补偿不总是可能的；或迫使增加与传感器及编码器有关的零件的组装精度，这就引起了实施成本的增加。
第二种公知方法在于，在编码器一个磁周期间隔中增加附加的数字传感器，它能提供增大数目的数字输出刻度。该方法受到了可供自由支配的空间的限制，并引起实施成本的增加。此外，当温度增高时，数字传感器转换点的分散偏移引起输出信号精度下降，甚至出现异常，这就引起了可靠性的下降。
在以S.N.R.ROULEMENTS名义申请的欧洲专利申请EP 0684 455 A1中描述了一种使用两个以90度电角度定位的模拟量传感器的分辨率倍增器，它装有一个最大及最小值保持装置及根据最大和最小值发生阈值的装置。该方法仅能在被传感器检测的信号至少达到这些极限值时才能工作，以致当倍增装置起动时，任何输出信号均无效。该方法的另一缺点是，当以很慢速度位移时，在该过程中构成时间常数装置的最大值及最小值保持装置不再能以满意的方式保证其功能。
本发明的目的是为了克服这些缺点，提出一种增加分辨率及确定速度和位移传感器位移方向的装置，传感器由一个面向至少两个固定模拟量传感器的可移动多极磁编码器组成，两传感器输出最大幅值相等的正弦信号，这两个正弦信号以同一参考轴值为中心并相差π/2电角度，其特征在于，它包括-2n个相同幅值的正弦信号si的发生装置，这些正弦信号与模拟量传感器输出的信号具有相同的中心值，并彼此相位移动π/n；
-2n个信号si的模拟量多路复用装置，它输出由2n个相位差为π/n的信号部分s’的序列组成的信号S，该信号的幅度包括在两个值之间的范围A*Sin(-π/2n)及A*Sin(π/2n)；-2n个信号si的最大包络线(E)的采集装置；-第一及第二阈值产生装置，分别产生正比于包络线(E)值的(2m-1)个转换阈值(Li)及(-Li)和2m个转换阈值(Lj)及(-Lj)；-第一及第二比较装置，用于将信号S分别与来自第一和第二产生装置的每个阈值(Li),(-Li)及(Lj),(Lj)相比较，并输出二进制信号Ai及Bj；-第一及第二个二进制信号Ai及Bj的组合装置，分别输出信号V1及V2，其中每个信号由2m*n个角度相位差为π/4m*n的角度周期值为π/m*n的信号组成。
根据本发明的另一特征，第一转换阈值产生装置产生(2m-1)个阈值Li，它由下式确定Li=±E*tg[π/2n*2a/2m]m为根据所需最终分辨率选取的一个正整数，及a为从0及(m-1)之间的所有值中所取的一个正整数，每个各代表2m-1个转换阈值Li。
根据本发明的另一特征，第二转换阈值产生装置产生2m个阈值Lj，它由下式确定Lj=±E*tg[π/2n*(2a+1)/2m]m为根据所需最终分辨率选取的一个正整数，及a为从0及(m-1)之间的所有值中所取的一个正整数，每个各代表2m个转换阈值Lj。
本发明的其它特征和优点在阅读了以下附图中所示的本装置实施例的说明后将会显露；
图1根据本发明的装置的电路功能图；图2至6，及8至12来自图1中装置各功能块的信号波形图；图7及13根据本发明的装置输出的高分辨率信号的波形图。
本发明提供了一种用于使多极磁编码器、例如霍尔效应型或磁阻型编码器的分辨率增加的装置的实施方式，这类编码器使用了至少两个固定的模拟量传感器，它们相对于编码器极性的相位移为π/2电角度，它们的相同幅值的正弦信号对中在取作为参考零的相同原始偏移值上。
图1为根据本发明的装置的电路功能图；如该图所示，模拟量传感器1及2分别将具有相同幅值A、相同周期P及相位移为π/2电角度的正弦信号S1及S2发送一个在2π电角度时间间隔中产生其数目等于2n的正弦信号的发生装置3,n为等于或大于2的正整数。图2至7为图1所示装置各功能块输出信号的波形图，这些波形作为编码器相对传感器的角度位置Q的函数，在该非限制性的具体实施例中n等于2。图2表示2n个正弦信号，它们用Si标记，其中i在1及4之间，它们与由两个传感器发出的信号S1及S2具有相同的幅值A及相同的周期P=2π，它们对中在作为零参考的相同值上，并两个一组地依次相位移动π/2电角度，即π/2。磁编码器的相位移标记通过识别在0至2π弧度相位移方向上出现的一系列正弦信号被最终确定，该方向通常相对两个模拟量传感器1及2的几何位置来选择。
发生装置3发生的2n个正弦信号Si被发送到一个将每个信号的瞬时值与其它(2n-1)的这些信号的每个瞬时值相比较的比较装置4，其中i包括在1至2n之间。该比较装置连接在2n通路的模拟多路复用装置5上，各通路分派到发生装置3发出的2n个正弦信号的每一个。比较装置4用作多路复用装置5的转换控制，每当它们各自的绝对值相等便从一个鉴别信号依次地转换到下一相位差π/2的鉴别信号。这样，所生成的信号S由电角度间隔(0,2π)中的相位移为π/n的2n个信号部分的系列组成，它们的幅值包括在两个值之间，这两个值为A*Sin(-π/2n)及A*Sin(π/2n)图3a至3d为4个信号S1至S4彼此依次相比较的具体例中比较装置4发出的信号。并且，图3a的信号相应于信号S2信号的检测值，它相对于一方面在角度间隔(0,2π)中的Q=0及Q1=π/4之间、另一方面在Q7=7π/4及Q8=2π之间信号S2的值大于信号S3的值并小于信号S1的值，由此仅使多路复用装置用于信号S2的通路有效。图3b相应于Q1=π/4及Q2=3π/4之间的间隔电角度，在此期间S3大于S4而小于S2，以使得仅是用于信号S3的通路有效。图3C相应于Q3=3π/4及Q5=5π/4之间的间隔电角度，在此期间S4大于S1而小于S3，以使得仅用于信号S4的通路有效，及最后图3d相应于Q5=5π/4及Q7=7π/4之间的间隔电角度，在此期间S1大于S2而小于S4，以使得仅用于信号S1的通路启动。我们可以看出，该控制仅涉及一个时间间隔，它代表一周期(0,2π)中的电角度π/n，在该例中即为π/2。
多路复用装置5的2n个输出并联地连接，这就是为什么输出端的信号S由2n个信号Si′的序列组成，其中每个对应于信号Si。在该n=2的特定例子中，信号S在角度间隔(0,2π)中由四个部分S1′至S4′组成，它们各归属四个信号S1至S4的一个，它们的幅值包括在A*Sin(-π/4)及A*Sin(π/4)之间，这些部分每个通过垂直线所示的转换过渡连接到下一个，如图4中所示。
同时，产生2n个相位移π/n信号的发生装置3也连接到一个瞬时值采集装置6，以便输入由各信号最大瞬时值构成的2n个信号的最大包络线E的瞬时值。
一个阈值发生装置7根据该包络线E将产生出第一系列转换阈值L1，它正比于包络线E并由公式(1)确定(1)Li=E*tg[π/2n*2a/2m]其中m根据最终所需分辨率选择的正整数，及a从0至(m-1)的所有数值中取的正整数。
同样，产生出一个第二系列转换阈值-Li，它们相对零参考与阈值Li对称，该参考为正弦信号源的中心值。图5表示根据一个非限制性实施例的多路复用装置输出的信号S的波形图，其中n等于2及m等于3，以及2m-1=5，阈值Li和-Li等于Lia=2=E*tgπ/6Lia=1=E*tgπ/12Lia=0=0-Lia=1=-E*tgπ/12-Lia=2=-E*tgπ/6信号S包括在由转换阈值限定的一系列域中[S＜-Lia=m-1]；[-Lia=m-1＜S＜-Lia=m-2]；…；[Lja=m-2＜S＜Lia=m-1]；[Lia=m-1＜S]并最终使其中每个转换为与紧相邻的各个不同的二进制值，即当信号S的瞬时值小于阈值之值时它等于0，而当该值S小于阈值之值时它等于1。
为此，一个比较装置8连接在阈值产生装置7的输出端，该装置7将属于电角度间隔(0,2π)中相位移的π/n的2n个相继信号部分的信号S的瞬时值与包括在递增序列中的转换阈值-Li及Li相比较，并输出2m-1个矩形波信号Ai,i为1至2m-1中的一个值，即为，由信号S与阈值-Lia=m+1比较产生A1，直到由信号S与阈值Lia=m+1比较产生出A2m-1，当信号S的值小于所取阈值之值时，产生的值取0，而当信号S的值大于该同一阈值的值时产生的值取1。然后，由比较装置8输出的2m-1个信号由一个逻辑运算器9组合运算，即它执行以下的布尔代数运算(A1与非A2)或(A3与非A4)…………或(A2m-3与非A2m-2)或A2m-1它在该分辨率倍增装置的第一路输出端产生出一个高分辨率输出信号V1，其由等于模拟量传感器1或2发送的信号周期P(0,2±π)的间隔中的2m*n个周期性方波信号组成，并包括交替的高态及低态，每方波的角度值为π/2m*n。
在n等于2及m等于3的特定例子中，比较装置8输出2m-1个方波信号Ai，如图6中的波形图所示，i为1及5之间的整数，当S信号的瞬时值小于阈值-Lia=2,Lia=1,0,Lia=1,Lia=2的值时m-1个方波信号Ai的值为0，当其瞬时值大于该相同阈值的值时方波信号的值为1。该阈值发生装置可以用电压分压器来实现。并再执行波尔代数操作(A1与非A2)或(A3与非A4)或A5则产生出如图7所示的高分辨率的输出信号V1。
与由装置7产生第一转换阈值Li及-Li的同时，阈值发生装置10根据信号Si的最大包络线E输出另外两个系列的阈值Lj及-Lj，它们各个角状地位于两个相继的阈值Lj之间，以便在第二路输出通道获得一个高分辨率的、并与第一路输出信号V1相位差90°的信号。这些阈值可用以下公式(2)来表示(2)Lj=E*tg[π/2n*(2a+1)/2m]a及m的定义与对于阈值Li的定义相同。参数a取0至(m-1)中的所有值；在n=2及m=3的该例中，总共有其数目等于2m的阈值；
Lja=2=E*tg5π/24Lja=1=E*tgπ/8Lja=0=E*tgπ/24-Lja=1=-E*tgπ/24-Lja=2=-E*tgπ/8-Lja=2=-E*tg5π/24信号S，及信号Si的最大包络线E以及各个不同的阈值Lj均表示在图8中。阈值-Lj相对于正弦信号源S1及S2的零参考与阈值Lj对称。如前所述，转换阈值Lj围绕着S信号的连续域[S＜-Lja=m-1]；[-Lja=m-1＜S＜-Lja=m-2]；…；[Lja=m-2＜S＜Lja=m-1]；[Lja=m-1＜S]其中每个阈值被赋予一个二进制值0或1，赋予位于任一边的两个域中的二进制值彼此不同。
由多路复用装置5输出的信号S与递增序列的2m个转换阈值Lj及-Lj的每个值在比较装置11中相比较，并输出数目等于2m的信号Bj，即为，由信号S与阈值-Lja=m-1比较产生B1，直至由信号S与阈值Lja=m-1比较产生出B2m。当信号S的瞬时值小于所取阈值之值时产生的值取0，而当信号S的值大于该同一阈值之值时产生的值取1。
由比较装置11输出的2m个信号Bj被传送到一个逻辑运算器12，它执行下列波尔代数运算(非B1)或(B2与非B3)……或(B2m-2与非B2m-1)或B2m它产生出一个高分辨率信号V2，该信号的周期与信号V1的周期相同，对信号V1相位移的角度值为π/2m*2n。
在该n等于2及m等于3的特定例中，该比较装置输出6个信号B1,B2,B3,B4,B5及B6，它们表示在图9上，并当信号S的瞬时值小于阈值-Lja=2,-Lja=1,-Lja=0,Lja=0,Lja=1,Lja=2的值时取0值，及当其瞬时值大于各同一阈值的值时取1值。然后由比较装置11输出的2m个信号Bj在逻辑运算器12中被组合，它执行以下波尔代数运算(非B1)或(B2与非B3)或(B4与非B5)或B6，以便输出如图10所示的信号V2，它相对信号V1相位移动π/2m*2n的角度值、即π/24。
应该指出，在某些情况下，由于多路复用装置的触发电路的转换速率，对于与在其中连接来自2n个正弦信号Si的2n个信号S段的转换过渡所对应的信号S部分通过比较装置11及逻辑运算器12将会使过渡状态在相应的角度上改变，并在信号V2的各脉冲之间产生出假信号。在该n=2的具体例子中，如图10所示，假信号出现在角度Q1=π/4,Q3=3π/4,Q5=5π/4及Q7=7π/4上。
为了抑制信号V2中的假信号，在比较装置13中将来自发生装置3的相移π/n的2n个正弦信号Si的每个与阈值Lja=m-1相比较，以便输出2n个矩形波信号Ci，其中i为1及2n之间的整数，这些矩形波信号分别对应于2n个信号S1、S2、……S2n与阈值Lja=m-1的比较，并当相应信号Si的值大于阈值Lja=m-1的值时其值取1，而当相应信号Si的值小于同一阈值的值时其值取0。
图11是在n=2的情况下由四个信号C1至C4组成的2n个信号的波形图。
然后，一个逻辑运算器14对来自比较装置13的这些信号进行运算，即根据下式的波尔代数运算(C1与C2)或…(Ci与Ci+1)或(Ci+1与Ci+2)……或(C2n-1与C2n)或(C2n与C1)以便输出一个信号V3，它由2n个脉冲的系列组成，它们与信号V2的脉冲具有相同的二进制状态及相同的角度值，以及在角度Q1、Q3、Q5及Q7上受假信号干扰的信号V2的脉冲准确对齐。图12表示在波尔运算器14输出端获得的信号V3，在该n等于2的具体例子中逻辑运算为(C1与C2)或(C2与C3)或(C3与C4)或(C4与C1)。
这两个逻辑信号V2及V3在第三逻辑(或)运算器15中相组合，以便在该分辨率增加装置的第二路输出上输出信号V4。这些高分辨率输出信号V4象信号V1那样，它由模拟量传感器1或2发送的信号周期(0,2π)的间隔中的2m*n个周期性方波信号组成，并相对信号V1相位移动π/(2m*2n)。
图13表示在n等于2及m等于3的具体例子中信号V4的波形，它相对于图7中所示信号V1的相位移值为π/24。信号V1及V4通过一逻辑(异或逻辑操作)运算器的组合未在图1上表示出来，这可根据现有技术，输出一个具有其分辨率为信号V1或V4的二倍的单一输出信号。
在一定情况下，希望将产生的信号数目n的值选择得足够大，以便使最大包络线E的值被视为恒定，并等于来自两个模拟量传感器的两个正弦信号的幅值A，对于包络线E与确定恒定值A之间的最大发散相对A的百分比用∈表示，它为∈=[1-cosπ/2n]*100。
例如，对于n=8,∈％=1.9％。
如果发散∈足够地小并与输出信号所需精度相关，则转换阈值Li及Lj的值可表达为Li=+_2a/2m*E*sin(π/2n)Lj=+_(2a+1)/2m*E*sin(π/2n)其中a和m的定义与上述相同。
为了工作在高电压电平上，可以将模拟量传感器的输出信号及转换阈值的电平以相同的放大系数进行放大。也可有利地，产生出数目大于2n的正弦信号以建立高精度的最大包络线E，而相对地，仅使用2n个正弦信号来建立多路复用装置输出端的信号S。
权利要求
1．增加分辨率及确定速度和位移传感器位移方向的装置，传感器由一个面向至少两个固定模拟量传感器的可移动多极磁编码器组成，两传感器输出最大幅值相等的正弦信号，这两个正弦信号以同一参考值为中心并相差π/2电角度，其特征在于，它包括-产生2n个相同幅值(A)的正弦信号(Si)的发生装置(3)，这些正弦信号与模拟量传感器(1及2)输出的信号具有相同的中心值，并彼此相位移动π/n,n为大于或等于2的正整数；-2n个信号(Si)的模拟量多路复用装置(5)，输出由2n个相位差为π/n的信号部分(S1′)的序列组成的信号(S)，该信号的幅度包括在两个值之间A*Sin(-π/2n)及A*Sin(π/2n)；-2n个信号(Si)的最大包络线(E)的采集装置(6)；-第一装置(7)及第二装置(10)，分别产生正比于包络线(E)值的(2m-1)的转换阈值(Li)及(-Li)和2m个转换阈值(Lj)及(-Lj),m是根据所需最终分辨率选取的正整数；-第一装置(8)及第二装置(11)，用于将信号(S)分别与来自第一(7)及第二(10)产生装置的每个阈值(Li),(-Li)及(Lj),(-Lj)相比较，并输出二进制信号(Aj)及(Bj)；-第一装置(9)及第二装置(12)，用于组合二进制信号(Aj)及(Bj)，分别输出信号角度相位差为π/4m*n的信号(V1)及(V2)，其中每个信号由来自模拟量传感器的任一信号的周期间隔(0,2π)中的2m*n个角度周期为π/m*n的信号组成。
2．根据权利要求1的装置，其特征在于，用于产生转换阈值的第一装置(7)，产生(2m-1)个第一转换阈值的系列，它由以下公式Li=E*tg(π/2n*2a/2m)确定的阈值(Li)及相对参考值与阈值(Li)对称的阈值(-Li)组成，m是根据所需最终分辨率选择的正整数，及a是从包括在值0及(m-1)内的所有值中所取的一个正整数。
3．根据权利要求1及2中一项的装置，其特征在于第一装置(8)将信号(S)与来自第一产生装置(7)的(2m-1)个阈值(-Li)及(Li)中的每个相比较，输出(2m-1)个二进制信号(Ai)，即(A1)至(A2m-1)，分别对应于信号(S)与从最低电平阈值(-Li)到最高电平阈值(Li)的递增序列阈值(-Li)及(Li)中的每个阈值的比较，并当信号(S)的瞬时值小于所取比较阈值时产生的值取0，而当该瞬时值大于该同一阈值之值时产生的值取1。
4．根据权利要求1至3中任一项的装置，其特征在于第一装置(9)用于组合由第一比较装置(8)输出的二进制信号(Ai)，并由一个执行以下波尔代数运算的逻辑运算器构成(A与非A2)或……或(A2m-3与非A2m-2)或A2m-1，它在该分辨率倍增装置第一路输出上输出高分辨率输出信号(V1)，该输出信号由2m*n个周期长度为π/(m*n)的周期性方波信号系列组成。
5．根据权利要求1的装置，其特征在于第二装置(10)产生2m个第二转换阈值的系列，它由以公式Li=E*tg(π/2n*(2a+1)/2m)确定的阈值(Lj)及相对参考值与阈值(Lj)对称的阈值(-Lj)组成，m是根据所需最终分辨率选择的正整数，及a是从包括在0及(m-1)内的所有值中所取的一个正整数。
6．根据权利要求1及5中一项的装置，其特征在于第二装置(11)将信号(S)与来自第二产生装置(10)的2m个阈值(-Lj)及(Lj)中的每个相比较，输出2m个二进制信号(Bj)，即(B1)至(B2m)，分别对应于信号(S)与从最低电平阈值(-Lj)到最高电平阈值(Lj)的递增序列阈值(-Lj)及(Lj)中的每个阈值的比较，并当信号(S)的瞬时值小于所取比较阈值时产生的值取0，而当该瞬时值大于该同一阈值之值时产生的值取1。
7．根据权利要求1,5或6的装置，其特征在于第二装置(12)用于组合第二比较装置(11)的输出的二进制信号(Bj)，并由一个执行以下波尔代数运算的逻辑运算器构成(非B1)或(B2与非B3)或……或(B2m-2与B2m-1)或B2m。它在该分辨率倍增装置第二路输出上输出高分辨率输出信号(V2)，该输出信号由2m*n个周期长度为π/m*n的周期性方波信号系列组成。
8．根据权利要求7的装置，其特征在于当信号(S)在两个相邻信号(Si)部分传播，通过比较装置(11)及组合装置(12)的中间级，在相应于过渡的角度上，在输出信号(V2)相距π/n的脉冲信号中间产生出假信号时-将来自发生装置(3)的各正弦信号(Si)在第三比较装置(13)中与最高电平阈值、即a等于(m-1)的阈值相比较，以便输出2n个矩形波信号(C1)至(C2n)，它们分别对应于(S1)至(S2n)的信号(Si)与所述阈值的比较，且当信号(Si)的瞬时值小于比较阈值时其值取0，而当该瞬时值大于该阈值时其值取1；-由一个逻辑运算器(14)对来自比较装置(13)执行波尔代数运算；(C1与C2)…或(Ci与Ci+1)或(Ci+1与Ci+2)…或(C2n与C1)它输出一个由相隔π/n的2n个脉冲系列构成的并精确地与具有假信号的信号(V2)的脉冲对齐的信号(V3)；-第三或逻辑运算器(15)根据逻辑或运算(V2)(V3)来组合这两个逻辑信号(V2)及(V3)，以便在该装置的第二路上输出一个输出信号(V4)，它为2m*n个周期长度为π/m*n的周期性方波信号。
9．根据权利要求1的装置，其特征在于发生装置(3)除了发生2n个信号(Si)外，还发生相同幅值A的附加正弦信号，它们与信号(Si)以相同的原点为中心，这些附加信号及2n个信号(Si)具有均匀的相位差；及包络线采集装置(6)采集附加信号及2n个信号(Si)整体的最大包络线(E)作为包络线(E)。
10．根据权利要求9的装置，其特征在于第一阈值发生装置(7)产生由下式确定的第一阈值(Li)及(-Li)的系列Li=2a/2m*ESinπ/2n，而采集大量正弦信号的采集装置(6)所采集的包络线(E)的值可根据所需输出精度被视为等于A的常数，其中m为根据所需最终分辨率选取的一个正整数，及a为从0至(m-1)的所有值中取的一个正整数。
11．根据权利要求1或1和9中一项的装置，其特征在于第一阈值发生装置(7)产生由下式确定的第二阈值(Lj)及(-Lj)的系列Lj=(2a+1)/2m*ESinπ/2n而采集大量天弦信号的采集装置(6)所采集的包络线(E)的值可根据所需输出精度被称为等于A的常数，其中m为根据所需最终分辨率选取的一个正整数，及a为从0至(m-1)的所有值中取的一个正整数。
12．根据权利要求1的装置，其特征在于根据对传统地相对两个模拟量传感器(1及2)的几何位置选择的0至2π弧度位移方向上出现的一系列正弦信号(Si)的识别来最终确定磁编码器位移的符号。
13．根据权利要求2或5的装置，其特征在于阈值产生装置可用电压分压器来实现。
全文摘要
本发明涉及速度及位移传感器的分辨率倍增装置，传感器由一个面向至少两个固定模拟量传感器的可移动多极磁编码器组成，而传感器输出相位差为π/2的正弦信号(S1，S2)，该装置包括2n个正弦信号(Si)的发生器(3)，这些信号与信号(S1，S2)具有相同幅值(A)且相位差为π/n；模拟量多路复用器(5)，输出由2n个相继信号(Si)部分组成的信号(S)；信号(Si)的最大包络线(E)的采集装置(6)；两个转换阈值(L
文档编号G01P13/04GK1238834SQ9718013
公开日1999年12月15日 申请日期1997年9月19日 优先权日1996年9月30日
发明者F·佩卢德 申请人:Snr罗勒门茨公司