用于来自磁条长度测量系统的传感器信号的动态线性化的方法

文档序号:9731852阅读:510来源:国知局
用于来自磁条长度测量系统的传感器信号的动态线性化的方法
【专利说明】用于来自磁条长度测量系统的传感器信号的动态线性化的方法
[0001]本发明起源于一种用于根据独立权利要求的类型的来自磁条长度测量系统的传感器信号的线性化的方法。
现有技术
[0002]在测量技术领域中,已知根据此类型的长度测量系统,其中传感器头经由测量主体移动,所述测量主体利用交替极性磁化。由于移动,在理想情况下,在传感器头或磁场传感器中产生正弦传感器信号。根据磁性测量原理,在具有测量主体的每个磁极(例如,在测量磁通量密度平方B2的GMR或AMR传感器的情况下)或具有测量主体的每个磁极对(例如,在供应与磁场强度与电流的乘积成比例的输出电压的霍耳(Hall)传感器的情况下)的传感器头中重复信号过程。位置确定是以本质上已知的方式(例如,通过三角函数)进行。
[0003]由于例如测量主体的不可避免的公差或传感器头与测量主体之间的距离的不可避免的公差,并且由于可变环境条件(由温度引起的电、磁条件等),发生测量系统非所需的线性偏差。这些偏差的另外可能原因为测量主体的构造公差或测量主体产生的磁场的公差,这种公差是由磁性材料或磁化强度的非均匀性导致。测量信号的线性或线性偏差还受位于传感器头中的、或在传感器头后的电子器件影响。以下,考虑实质上由传感器头和恒定外部磁场导致的线性偏差。
[0004]另外,传感器信号本身实际上偏离理想正弦信号,并且具体来说与该理想正弦信号具有不同振幅以及不同偏移。
[0005]此外,已知的是,除了检测正弦信号的特定的传感器之外,在传感器头中布置第二传感器,借助第二传感器,就可检测与正弦信号相比相移90°的余弦信号。如已知的,测量周期内的测量信号的清晰性是借助第二传感器确保,因为仅正弦信号和余弦信号组合才可实现对周期内的测量信号的清楚估计。
[0006]必须注意,第一传感器和第二传感器可布置在彼此90°相移的距离处,其中这两个传感器在相同方向上是灵敏的。替代或另外地,可以假定这两个传感器在彼此旋转90°的方向上是灵敏的。角度传感器可另外通过检测正弦信号和余弦信号来实现。
[0007]将两个传感器信号供应至所谓的“内插器”,此内插器以本来已知的方式补偿正弦信号以及余弦信号的偏移、振幅和相位。这通过一次校准程序或通过仍在传感器或长度测量系统生产期间借助参考系进行校正表的创建来静态进行,或另外地动态进行,其中内部加强和偏移参数在传感器头的移动期间变化,使得形成尽可能理想地用于进一步处理的传感器信号。
[0008]由于两个相移的传感器信号,与理想90°相比的相移量表示对线性的影响变量,所述影响变量同样可由特定的内插器补偿。
[0009]另外,补偿检测到的传感器信号的谐波所导致的线性偏差同样是已知的。因此,这些谐波可能已经由磁性结构的特定布置在磁场传感器中得到补偿。在较大磁极宽度情况下,通过使用若个干角度传感器以及对测量数据的加权估计减少谐波。
[0010]或者,不同振幅、不同偏移、近似90°的相位偏差以及谐波可由在磁极周期内增添至已确定的位置的磁极周期校正信号补偿。例如,可提前在参考系上确定合适校正信号。因此,所确定的位置数据通过后续校正表转换成线性化的位置数据。由于这是静态校正信号,因此此类型的补偿会以不利方式要求关于磁场传感器的信号过程中的振幅、偏移、相位以及谐波比例的上偏差保持实质恒定。另外,线性偏差将不受传感器头与测量主体之间的间隙或传感器温度的影响。然而,由于这种影响存在于大多数传感器情况下,因此特定静态组合(static compos it 1n)在许多情况下是不可能的。

【发明内容】

[0011]本发明的目标是消除已知磁条长度测量系统的特定缺点并将允许开始所描述的磁场传感器的非线性的动态补偿。
[0012]根据本发明的方法允许在测量系统的操作期间,S卩,在传感器头沿着测量主体的移动期间,补偿已知的非线性。因此,可以使用少数的传感器或廉价的传感器,由此,这种长度测量系统能够以实质上比现有技术中已知的测量系统中更成本有效的方式进行生产。另夕卜,可在传感器的生产期间省略成本高的校准。
[0013]特定优点导致其中传感器头的移动速度能够进行调节并且要求相对大的间隙区域的此类测量系统的情况。由于较大间隙,因此必须使用相应较大磁极宽度。
[0014]此外,本发明还允许针对不同磁极宽度使用统一的传感器类型。例如,如果需要较大间隙,那么仅必需切换至具有更大的磁极宽度的测量主体。这是因为具体来说两个传感器之间的相位(正弦和余弦)由此改变,然而,这在借助所提出的补偿方法进行的估计中不起作用。通过改变磁极宽度,输出信号的分辨率也会改变。对线性驱动器而言,测量主体可以完全省去,并且仅定子的磁场可以用于距离测量。这提供了显著成本优势。
[0015]本发明另外还允许在对线性偏差进行特定补偿的情况下,考虑所检测的传感器信号的谐波和/或传感器信号的角度偏移,使得可取决于传感器头的移动速度或移动速度的一致性实现对这些影响变量的动态适应。
[0016]本发明此外还允许将会不断动态适应(S卩,也在进行中的测量期间)并具有与现有技术相比明显减小的剩余线性偏差的指定的校正表。
[0017]借助本文所描述的优点。根据本发明的长度测量系统适于机器构造中的高精度的长度测量,尤其是在线性驱动器、激光切割系统、印刷系统、用于冲压的机器构造或转台的情况下。
[0018]附图简述
[0019]图1示意性地示出根据现有技术的磁条长度测量系统的等距视图;
[0020]图2示出用于例示根据现有技术来对谐波所造成的线性偏差进行校正的方框图;
[0021]图3a、图3b示出针对具有相对大的线性偏差的小间隙模拟的传感器信号;
[0022]图4a、图4b示出针对具有相对小的线性偏差的大间隙模拟的传感器信号;
[0023]图5a至图5c示出根据本发明的用于根据图3a的传感器信号的线性化的过程以及从图5b得到的线性内插校正曲线(图5c)的实施方式;
[0024]图6借助于流程图示出根据本发明的用于磁条长度测量系统的传感器信号的动态线性化的方法的实施方式;
[0025]图7a、图7b示出在传感器头的延迟移动的情况下类似于图5b和图5c的校正曲线;
[0026]图8a、图8b例示传感器头的两个传感器的距离未精确为90°的测量情况;
[0027]图9例示传感器头的两个传感器的测量信号彼此相移小于90°的测量情况;
[0028]图10示出作为线性电机的定子场所形成的测量主体的实例的信号比。
[0029]实施方式详述
[0030]图1中示出的无触点式磁条长度测量系统包括传感器头100和磁性编码的磁条测量主体107。传感器头100在测量主体107上滑动,所述测量主体在具有交替极性103、105的测量方向125、130上、在近似2mm至6mm的距离处磁化。在实施方式中,传感器头100包括两个传感器元件115、120。
[0031 ] 在传感器头100在变化极性方向125、130上移动的情况下,分别在两个传感器元件115、120中产生信号,所述信号在理想情况下以正弦的方式运行,其中第一传感器元件115检测正弦信号,并且其中第二传感器元件120检测余弦信号,余弦信号与正弦信号相比相移90°。计数所得周期变化,或者借助本来已知估计电子器件确定在周期内传感器元件115、120的位置。
[0032]根据磁性测量原理,所产生的信号的周期持续时间对应于磁极长度,例如在测量B2的GMR或AMR传感器的情况下。然而,在例如测量B的霍耳传感器的情况下,信号周期则对应于磁极对的长度。传感器头移动速度高达20m/s,其中,尽管特定相对大的距离多达6mm,测量分辨率在传感器头移动方向上在高达ΙΟΟμπι的范围内。
[0033]甚至在存在(未示出)恒定外部磁场的情况下,信号周期长度与磁极对相当,测量主体107的北极103和南极105的场以不同方式受外部磁场影响。因此,线性偏差同样具有相应周期性的部分。
[0034]根据所使用的传感器和磁极宽度,线性偏差随着传感器头与测量主体之间的距离(即,随间隙大小)显著改变。如果外部磁性比率例如由于干扰场而仅稍微不同,并且磁极实质上同样地强烈磁化,那么信号过程在后续周期中非常类似先前信号过程。
[0035]图2借助方框图来示出用于由谐波导致的线性偏差的校正的本来已知程序。包括两个传感器元件115、120的磁场传感器200供应指定的正弦信号和余弦信号。这些信号被供应至内插器205,内插器会计算仍包含谐波的位置数据(可能考虑信号的偏移、相位和振幅)。这些位置数据借助校正表210来线性化,利用该校正表,线性化的位置数据出现在校正表的输出处。这些位置数据并不具有与以上所描述的线性的不利偏差。
[0036]在图3a和图3b中,通过模拟计算(图3a)而产生的示例性正弦磁场传感器信号300和余弦磁场传感器信号305在路径x[m]上以极高且分别不同的谐波比例来描绘。这些比率导致用于相对长的磁极和相对小的间隙的现实。如已解释,自身为周期性的源于这种情况并示出于图3b中的线性偏差310相应较大。
[0037]在图4a和图4b中,指定模拟计算的对应结果描绘于本质上相同的传感器上,所述传感器仅具有一个间隙,所述间隙与图3a和图3b相比较大。针对这个传感器配置(图4a)而产生的传感器信号400、405为几乎理想正弦或余弦的;仅仅信号振幅小于根据图3a和图3b的实例中的。具体来说,如图4b中清楚,源自这种情况的线性偏差410极低或几乎恒定为零。
[0038]根据图3a和图3b以及图4a和图4b,所得的传感器信号以非常灵敏的方式而取决于传感器头与测量主体之间的间隙大小。具体来说,对应线性偏差无法借助静态校正表或固定校正表来校正。
[0039]在随后所描述的实施方式中,假定传感器头以相对恒定高的速度移动。所有磁极对产生的磁场为相同的,并且传感器头与测量主体之间的间隙从磁极至磁极仅非常缓慢地变化,使得图3a和图3b以及图4a和图4b中示出的变化仅在若干磁极上发生,由此当前测量的磁极的信号过程类似先前磁极和下一磁极的信号过程。
[0040]图5a和图5b示出根据本发明的用于图3a中示出的传感器信号的线性化的方法的实施方式。测量
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