角度传感器、轴承单元、电机、控制系统及误差检验系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种角度传感器，用于确定相对第二部分旋转的第一部分的绝对角度 信号。本发明还涉及一种轴承单元，电机，用于电机的控制单元，以及包括角度传感器的误 差检验系统。本发明还限定了一种计算机程序产品和确定绝对角度信号的方法。
【背景技术】
[0002] 角度传感器也称为旋转编码器或者轴编码器，其将轴状物或轴的角度位置或运动 转换为模拟或数字代码。已知机械式的角度传感器可以使用具有开口的同心环。在每个角 位置，滑动触头可以检测开口，并且电子电路可以将所检测的开口图案转换成角位置。光学 编码器可以使用相似的原理。具有开口的同心环可以由具有透明和非透明区域的圆盘替 代。光源和光电检测器阵列使其能够在给定的角度检测非透明和透明区域的图案。但是， 在具有润滑脂遮蔽圆盘的轴承环境中，这些类型的角度传感器难以使用。
[0003] 在轴承应用中，角度传感器通常包括具有多个磁体以及一个或多个霍尔传感器的 环。通常，磁环连接至轴承单元的旋转部件。典型地，能够检测磁场的霍尔传感器连接至轴 承单元的静止部件。磁环包括多个磁极，每个磁极提供一磁场。霍尔传感器检测磁场并且 耦接至霍尔传感器的电子电路将所检测的磁场转换成多个磁极的每个中的角位置。该装置 还工作在涂有油脂的轴承环境中。
[0004] 例如，这样的角度传感器在美国专利申请US2009315544中是已知的。根据该专利 申请的角度编码器包括：旋转检测设备，该装置包括同轴布置并且具有不同数量磁极的多 个环形磁编码器；多个磁传感器，每个可操作的检测对应磁编码器的磁场并且具有在对应 磁编码器的单个磁极中检测位置信息的功能；相位差检测器，其用于确定由各磁传感器分 别检测的磁场信号的相位差；以及角度计算器，其基于所检测的相位差计算磁编码器的绝 对旋转角度。
【发明内容】
[0005] 本发明的目是提供一种可替代的角度传感器，其用于确定绝对角度信号。
[0006] 本发明的第一方面提供一种角度传感器。本发明的第二方面提供一种轴承。本发 明的第三方面提供一种电机。本发明的第四方面提供一种用于控制电机的控制系统。本发 明的第五方面提供一种误差检验系统。本发明的第六方面提供一种确定绝对角度信号的方 法。本发明的第七方面提供一种计算机程序产品。优选的实施例被限定在从属权利要求中。
[0007] 根据本发明的第一方面，该目的通过提供一种用于确定相对于第二部分旋转的第 一部分的绝对角度的角度传感器来实现。该角度传感器包括第一光栅环，其包括第一多个 第一光栅元件，各元件相邻于彼此布置构成环片段，每个第一光栅元件与第一传感器相互 作用，用于产生沿第一光栅环的对应环片段的代表第一传感器的相对位置的第一信号。该 角度传感器还包括第二光栅环，其包括第二多个第二光栅元件，各元件相邻于彼此布置构 成环片段，每个第二光栅元件与第二传感器相互作用，用于产生沿第二光栅环的对应环片 段的代表第二传感器的相对位置的第二信号。第一光栅环和第二光栅环配置成旋转相同的 旋转角度，当第一部分相对于第二部分旋转时。第一多个和第二多个是互质数，并且第一多 个与第二多个之间的差值大于1。角度传感器还包括配置成使用第一信号和第二信号的第 一线性组合来计算绝对角度信号的计算器。
[0008] 第一多个第一光栅元件和第二多个第二光栅元件的使用能够使用简单的线性关 系计算绝对角度信号，同时第一多个和第二多个之间的差值大于1，其中，第一多个和第二 多个是互质数。在已知的角度传感器中，两个磁编码器之间的磁极数量差等于1。这是方便 的，因为其能够从差值信号中简单地确定绝对角度信号，差值信号由第二磁编码器的第二 信号减去第一磁编码器中的第一信号产生。由于在已知的配置中两个磁编码器之间的磁极 数量之间的差，所确定的差值信号在每旋转360度的角度时自身重复1次，因此能够确定绝 对角度信号。在根据本发明的角度传感器中，第一多个和第二多个是互质数。本发明的发 明人发现，由于第一多个和第二多个之间的该互质关系，第一多个第一光栅元件和第二多 个第二光栅元件遵守贝祖恒等式（Bezout identity)，其能够用简单的线性关系计算绝对 角度信号（其它详情见详细说明）。因此，第一多个第一光栅元件与第二多个第二光栅元件 之间的差值可以远远大于1，仍然能够从角度传感器中确定绝对角度信号。当允许第一多个 与第二多个之间的差值大于1时，其它的优点是同一角度传感器除了可以用于计算绝对角 度信号之外还可以用于以相对高的精度计算电机的电角度信号。
[0009] 因此在根据本发明的角度传感器的一实施例中，角度传感器还配置成使用第一光 栅环和第二光栅环来确定绝对角度信号和电机的电角度信号。在根据该实施例的角度传感 器中，第一多个（nl)与第二多个（n2)之间的差值等于电机的磁极对的数量，其中计算器配 置成通过计算第一信号与第二信号之间的差值来计算电角度信号。在已知的角度传感器 中，两个磁编码器之间的磁极数量的差值等于1，使用一对磁编码器来确定绝对角度信号和 电角度信号是不够精确的。为了计算该已知配置中的电旋转角度，绝对角度信号必须乘以 电机中存在的磁极对的数量。绝对角度信号的该乘法显著地增加了所确定的电角度信号中 的误差，尤其是电机中的磁极对的数量相对高时。因此，已知的角度传感器还需要另外的磁 编码器来精确地确定电旋转角度。在根据本发明的角度传感器中，第一多个和第二多个是 互质数，其中第一多个与第二多个之间的差值大于1。第一多个与第二多个之间的该差值还 可以等于电机中存在的磁极对的数量。因此，可以通过计算第一信号与第二信号之间的差 值来计算电角度信号。尤其是在电机的磁极对的数量相对高的实施例中，根据当前发明的 确定导致精度上的显著提高并且避免对另外的磁编码器的需求。
[0010] 例如，第一光栅环和第二光栅环可以是磁编码器，例如其中每个第一光栅元件和 第二光栅元件可以是不同的磁极。可替代地，例如，第一光栅元件或第二光栅元件包括电子 电阻元件，或者例如三角形开口，或者任何其它的配置，该配置能够与相应的传感器一起产 生沿光栅环的相应环片段的代表传感器的相对位置的信号。第一传感器和第二传感器分别 与第一光栅环和第二光栅环相互作用。在第一光栅元件或第二光栅元件是磁极的实施例 中，例如，第一传感器或第二传感器可以是霍尔传感器或者布拉格传感器，例如，其包括光 纤光栅。在第一光栅元件或第二光栅元件是三角形开口的实施例中，例如，第一传感器或第 二传感器可以是光传感器或光传感器阵列。在第一光栅元件或第二光栅元件是电子电阻元 件的实施例中，例如，第一传感器或第二传感器可以是感应电子电阻元件中的电子电阻变 化的滑动触头。
[0011] 在角度传感器的一实施例中，第一光栅环是具有第一多个光栅元件的磁编码器， 该第一多个光栅元件是多个第一磁极，和/或第二光栅环是具有第二多个光栅元件的磁编 码器，该第二多个光栅元件是多个第二磁极。使用磁编码器的好处在于在诸如轴承的润滑 脂环境中可以使用一个相对坚固耐用的角度传感器。
[0012] 在角度传感器的一实施例中，第一传感器和/或第二传感器从一列表中选择，该 列表包括：霍尔传感器、涂覆有磁致伸缩材料的光纤布拉格格栅传感器。
[0013] 在角度传感器的一实施例中，第一传感器和/或第二传感器从一列表中选择，该 列表包括：电阻传感器、电感传感器、磁阻式传感器、涡流传感器、磁致电阻传感器、电容传 感器，以及光学传感器。
[0014] 在角度传感器的一实施例中，计算器还包括配置成在所确定的电角度信号中减少 噪声的校正器，其中该校正器配置成产生是重复信号的虚拟校正信号，该重复信号具有合 适其它整数倍电角度信号的重复频率，虚拟校正信号包括信号一和信号二的总和，其中信 号一从一列表中选择，该列表包括：第一信号、第二信号、改进的第一信号以及改进的第二 信号，并且其中信号二从一列表中选择，该列表包括：绝对角度信号以及改进的绝对旋转角 度信号。
[0015] 例如，虚拟校正信号包括第一信号与绝对角度信号的总和，或者第二信号与绝对 角度信号的总和，或者第一信号与改进的绝对角度信号的总和，或者第二信号与改进的绝 对角度信号的总和，或者改进的第一信号与绝对角度信号的总和，或者改进的第二信号与 绝对角度信号的总和，或者改进的第一信号与改进的绝对角度信号的总和，或者改进的第 二信号与改进的绝对角度信号的总和。
[0016] 在角度传感器的一实施例中，第一光栅环和第二光栅环被连接到作为旋转部分的 第一部分，而第一传感器和第二传感器被连接到作为静止部分的第二部分。
[0017] 在角度传感器的一实施例中，第一多个和第二多个是表示为（nl，n2)对的互质数 对，其中互质数对从互质对列表中选择，该列表包括：（15, 29)，（15, 31)，（16, 31)，（16, 33) ，（17,33)， （17,35)， （18,35)， （18,37)， （19,37)， （19,39)， （20,39)， （20,41)， （21，41)， （21， 43)， （22,43)， （22,45)， （23,45)， （23,47)， （24,47)， （24,49)， （25,49)， （25,51)， （26,51)，（ 26,53), (27,53), (27,55), (28,55), (28,57), (29,57), (29,59), (30,59), (30,61), (31,61 ),(31,63), (32,63), (32,65), (33,65), (33,67), (34,67), (34,69), (35,69), (35,71), (36 ,71), (36,73), (37,73), (37,75), (38,75), (38,77), (39,77), (39,79), (40,79), (40,81), (41,81), (41,83), (42,83), (42,85), (43,85), (43,87), (44,87), (44,89), (45,89), (45,9 1), (46,91), (46,93), (47,93), (47,95), (48,95), (48,97), (49,97), (49,99), (50,99), (5 0, 101), (51, 101), (51, 103), (52, 103), (52, 105), (53, 105), (53, 107), (54, 107), (54, 109 ),(55, 109), (55, 111), (56, 111), (56, 113), (57, 113), (57, 115), (58, 115), (58, 117), (59 ,117), (59, 119), (60, 119), (60,121), (61, 121), (61, 123), (62, 123), (62, 125), (63, 125) ,(63, 127), (64, 127), (64, 129), (65, 129), (65, 131), (66, 131), (66, 133), (67, 133), (67, 135), (68, 135), (68, 137), (69, 137), (69, 139), (70, 139), (70, 141), (71, 141), (71, 143), (72, 143), (72, 145), (73, 145), (73, 147), (74, 147), (74, 149), (75,149), (75,151), (76, 1 51), (76, 153), (77, 153), (77, 155), (78, 155), (78, 157), (79, 157), (79, 159), (80, 159),( 80, 161)，（81，161)，（81，163)，（82, 163)，（82, 165)，（83, 165)，（83, 167)，（84, 167)，（84, 16 9)， （85, 169)， （85, 171)， （86, 171)， （86, 173)， （87, 173)， （87, 175)， （88, 175)， （88, 177)， （8 9, 177)，（89, 179)，（90, 179)，（90, 181)，（91，181)，（91，183)，（92, 183)，（92, 185)，（93, 18 5)， （9