用于高极数电机的集成多匝绝对位置传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有集成的绝对磁位置反馈的高极数电机，所述高极数电机通过相关的电子器件能够提供该电机的任意转数上的绝对位置感测。多转绝对位置反馈可以与高分辨率部分回转反馈组合以提供电机的任意转数上的高分辨率反馈。有多回转能力的反馈和高分辨率部分回转反馈两者的磁路是基于现存的电机磁路。
【背景技术】
[0002]电机被用于实现对象的受控运动的各种应用中。例如，电机被用于各种工业自动化和其他自动化应用中。在许多应用中，向电机或电机的控制器提供电机位置的精确度量以使得通过电机定位对象的精度可以更高是有用的。在许多应用中，即使电机在系统功率被关闭时已经被移动，知道电机在施加功率时的绝对位置也是有利的。在闭环系统中，一个或更多个传感器收集关于电机的位置、速率或加速度信息，并且将该信息提供给电机控制器。电机控制器内的闭环控制系统接收作为反馈的电机位置或其他信息，并且改进电机的定位或运动特性的精度。其操作通过反馈实现并且在闭环控制之下的电机常被称为伺服电机。
[0003]绝对多匝位置反馈可以通过若干方法获得，包括使用在它们之间具有机械传动装置的多个编码器部分或分解器部分、使用具有备用电池和电子计数器的传感器、以及使用磁脉冲发生器来感测位置移动并且可选地提供对脉冲的数量和序列进行计数以便跟踪轴位置所需的能量。
[0004]绝对位置传感器的分辨率通常通过将粗略绝对位置传感器的值与在一个回转的有限的时间段或部分内提供绝对位置的精细位置感测方法的那些值组合来改进。假如粗略位置感测方法能够在精细位置感测方法的周期的一小部分(a fract1n of)内确定位置，则可以用电子装置组合来自这两个传感器的数据以提供对于位置的宽泛的绝对范围的高分辨率位置反馈。
[0005]较高分辨率周期绝对位置传感器与粗略多匝(mult1-turn)绝对位置传感器的组合在本领域中是众所周知的。美国专利N0.7，579，829中的Wong描述了高分辨率绝对周期位置感测与较低分辨率多匝绝对位置感测的组合。较低分辨率绝对位置感测通过使用由机械传动装置耦合在一起的多个分解器而获得。美国专利申请公开N0.US 2011/0156699 Al中的Shibata等人描述了类似的使用通过传动装置机械地耦合的多个分解器部分的多匝绝对位置感测方法。存在基于机械传动方法的变型的多个专利。
[0006]美国专利N0.5，057, 727中的Jones描述了 “利用Wiegand效应器件的轴位置传感器(Shaft Posit1n Sensor Employing a ffiegand-effect device)，，。具体地说，美国专利N0.5，057，727教导了使用Wiegand效应传感器来确定锯齿状软磁轮的粗略位置，其中Wiegand效应器件所需的磁场由非装轮式磁源提供。非装轮式磁源可以永久磁体或螺线管。来自多个Wiegand传感器的信号的定相提供递增位置信息。作为Wiegand效应传感器的基础的Wiegand导线的操作在Wiegand的美国专利N0.3, 820, 090和Wiegand的美国专利N0.4, 247, 601中被描述。Wiegand传感器包括被盘绕的感测导线环绕的Wiegand导线。当在对传感器施加足够强的磁场之后，所施加的磁场一变弱或逆转，Wiegand导线的内芯的磁化状态就突然逆转时，感测导线生成强烈的不同脉冲。基于该效应的传感器在包括Hinke等人的美国专利N0.4，538，082的技术中是众所周知的。
[0007]美国专利申请公开N0.US 2010/0213927中的Mehnert等人描述了使用感测附着到将被监视的主体的多个交替极性的永久磁体的粗略磁敏位置传感器(诸如霍尔效应传感器)的绝对磁位置编码器，其中操作控制逻辑和非易失性计数器的功率由单个Wiegand元件提供。该粗略位置传感器与磁敏精细传感器(诸如霍尔效应传感器)组合以提供更高分辨率的部分。这些组合在电子逻辑中以提供不需要外部功率来维持其绝对位置计数的高分辨率多匝编码器。
[0008]美国专利N0.8，111，065中的Menhert等人描述了由来自主轴的齿轮驱动以每转生成多个功率脉冲的组合Wiegand效应传感器，其中这些脉冲被计数以提供粗略绝对位置装置。绝对一匝编码器、分解器或霍尔效应位置传感器装置用于提供更高分辨率装置，其中高分辨率周期的和低分辨率的绝对计数组合来提供绝对位置感测装置。来自Wiegand效应器件的脉冲用于给粗略绝对计数电子器件供电以使得不需要外部电功率来跟踪输入轴的粗略运动。
[0009]美国专利申请公开N0.US 2011/0006757 Al中的Mehnert描述了包含在铁磁环内的单个Wiegand效应脉冲发生器与内表面上的、对Wiegand效应器件产生交替磁场的附着磁体的组合。附加的传感器用于确定运动方向，以产生针对用于粗略位置的升/降计数器的信号以及用作位置反馈的精细分辨率部分。
[0010]美国专利申请公开N0.US 2011/0184691中的Mehnert等人进一步教导了处理并且组合美国专利申请公开N0.US 2011/0006757中所描述的绝对位置传感器所需的电子器件。对于粗略传感器，单个Wiegand效应传感器与霍尔类型的器件组合，其中霍尔效应器件从Wiegand效应传感器供电。Wiegand器件的迟滞有利地与霍尔效应器件一起被用于确定旋转方向，因为根据旋转方向，Wiegand器件所涉及的迟滞使Wiegand器件信号相对于霍尔效应器件所测量的磁场异相。
[0011]美国专利N0.4，779，075中的Zagelein等人描述了这样一种器件，该器件通过与附连到转数计的轴的单回转绝对式位置传感器结合使用利用非易失性存储器基于先前的脉冲确定动作并且利用计数器存储周期计数的三个Wiegand或大型巴克豪森效应器件来确定绝对位移。美国专利N0.4，779，075中的中心Wiegand器件(S3)用作预触发使能，那么进入其他Wiegand器件(如美国专利N0.4，779，075中所标识的S2或SI)的第一脉冲用于操作计数器升或降。以这种方式，如果来自相同Wiegand器件的多个脉冲在没有充分旋转到第一啮合S3的情况下发生，则忽视它们。
[0012]美国专利N0.5，663，641中的Morita教导了具有Wiegand效应的转速检测单元或者在音轮的交替极之间机械地耦合的非晶磁致伸缩导线传感器。音轮的外周具有交替的具有均匀节距的N极和S极，使得检测单元横跨在一对相对极化的磁体之间。横跨的极性随着轮旋转而交替，生成一系列脉冲。
【发明内容】
[0013]本发明涉及基本上如图中的至少一个所示的和/或如本文中结合图中的至少一个描述的、如权利要求书中更完整地阐述的、一种用于高极数电机的集成多匝绝对位置传感器。
【附图说明】
[0014]图1示出根据实施方案的具有集成的精细传感器拾取线圈和粗略感测元件的电机的等距视图。
[0015]图2示出图1的电机的前视角观察的视图。
[0016]图3示出图1的电机的后视图，该后视图显示其精细传感器拾取线圈和粗略感测元件的定子结构和放置。
[0017]图3A单独地从与图3相同的视角来看的图1的电机的粗略感测元件。
[0018]图3B示出单独地从与图3相同的视角来看的图1的电机的精细传感器拾取线圈。
[0019]图4A、4B和4C示出从不同视角来看的图1的电机的转子组件。具体地说，图4A从侧视图示出转子组件以示出转子极帽到转子磁体的放置。图4B示出上转子极帽的齿和间隙相对于下转子极帽的对齐。图4C示出转子组件的剖开视图，该剖开视图示出齿和间隙在上转子极帽和下转子极帽之间的对齐。
[0020]图5示出根据实施方案的在被设计用于微步进操作的步进电机中有用的精细传感器拾取线圈的布置。
[0021]图6示出根据实施方案的具有通量聚焦元件的粗略感测元件构造。
[0022]图6A示出根据实施方案的粗略感测元件的剖开视图，该剖开视图暴露粗略感测元件的内部构造。
[0023]图7A、7B、7C和7D均示出图1的电机随着其转子连续地移动通过0.9度逆时针的运动增量的侧视图。
[0024]图8示出根据实施方案的具有粗略感测元件的替代配置的电机的等距视图。
[0025]图9示出图8的电机的侧视图。
[0026]图10示出图8的电机的替代定子和传感器配置的等距视图，该等距视图详细描绘精细传感器拾取线圈和粗略感测元件的定位，其中转子组件为了清晰起见而被移除。
[0027]图11示出图8的电机中所使用的桥式粗略感测元件的单独视图。
[0028]图12示出关于2相1.8度步进电机的、精细传感器拾取线圈的归一化解码输出Fl、F2、粗略感测元件的归一化通量PHI1、PHI2、以及粗略感测元件的归一化输出Cl、C2，所有这些都是针对图7A-D中所示的以每转度数为单位的机械轴角而绘制的。
[0029]图13示出随着所述角度首先在正方向上移动、然后逆转并且在负方向上移动的、以机械度数为单位的角位置W和图12的传感器输出。
【具体实施方式】
[0030]1.前言
[0031]本发明的各方面在本文中就同步高极数电机进行讨论。高极数同步电机具有在本发明的某些实施方式中有利地使用的某些性质。题目为“低噪声同步电机(Low NoiseSynchronous Motors) ”的美国专利N0.4, 025, 810描述了对于该讨论有用的步进电机的配置和操作的基本方面。这样的电机有时被称为步进电机或步级电机，并且可以按开环配置、准闭环配置和/或全闭环配置操作。在每种这样的配置中