使用磁场的位置测量的制作方法

专利名称：使用磁场的位置测量的制作方法
技术领域：
本公开内容涉及使用磁场的位置测量。
背景技术：
线性电机可以用来控制物体的位置和移动。在一些例子中，磁传感器阵列可以用 来读取电枢上装配的磁刻度的图案，以确定电枢相对于电机转子的位置。传感器可以是数 字传感器(比如霍尔效应开关)、模拟传感器(比如磁阻或者巨型磁阻传感器)或者二者的组合。

发明内容
本文献描述一种可以在宽的温度范围内操作的低成本、无接触、高分辨率、长行程 的绝对位置传感器。位置传感器测量线性电机电枢的位置，从而控制系统可以恰当地进行 电机换向(电驱动适当电机绕组)并且控制电机使用于其中的更高级系统。在一个方面中，一般而言，一种沿着路径可移动的构件包括沿着路径延伸的伸长 磁体，伸长磁体的磁场定向参照路径成角度；以及传感器，基于对伸长磁体生成的磁场的测 量来确定构件沿着路径的位置。实现方式可以包括以下特征中的一个或者多个特征。可以通过沿着参照路径成角 度的方向在物理上放置伸长磁体或者通过沿着参照路径成相同角度的方向印刷伸长磁体 的磁场定向来实现参照路径成相同角度的伸长磁体的磁场定向。伸长磁体可以包括第一部 分和第二部分，第一部分具有与第二部分的从北至南的磁方向不同的从北至南的磁方向。 第一和第二部分可以与第一方向平行延伸。第一和第二部分可以具有与第一方向垂直的从 北至南的轴。传感器可以确定伸长磁体生成的磁场的方向。可以提供用于存储关于磁场的 方向与构件的位置之间相关性的信息的存储设备。可以提供用于计算磁场的方向与构件的 位置之间相关性的模块。传感器可以基于磁场的测量来确定构件沿着路径的绝对位置。构 件可以包括电机的电枢。伸长磁体可以包括条状磁体。在另一方面中，一般而言，一种沿着路径可移动的构件随着构件沿着路径相对于 磁体移动而改变磁体的磁场分布；以及传感器基于磁场的定向的测量来确定构件在路径上 的位置。实现方式可以包括以下特征中的一个或者多个特征。构件可以包括随着构件沿着 路径移动而改变磁场分布的铁磁元件。铁磁元件可以包括钢元件。铁磁元件可以具有随着 构件沿着路径移动而变化的横截面，横截面沿着与路径垂直的平面。构件可以包括定子的 电枢。磁体可以相对于电机的定子固定。在另一方面中，一般而言，一种线性电机包括定子和电枢，电枢沿着路径相对于 定子移动，电枢包括磁体；以及传感器，基于对电枢的磁体生成的磁场的测量来确定电枢的 位置。实现方式可以包括以下特征中的一个或者多个特征。传感器可以检测电枢的磁体之一的磁场。磁体之一可以在电枢的一端。传感器可以确定磁场的方向。传感器可以包括 检测电枢的第一端的第一磁传感器和检测电枢的第二端的第二磁传感器。传感器可以补偿 磁场强度的变化。从包括温度改变、距离和磁场的组中选择的因素可以引起磁场强度的变 化。传感器可以通过使用磁场在第一方向上的第一测量与磁场在第二方向上的第二测量之 比来补偿磁场强度。传感器可以测量磁场在第一方向上的第一测量和磁场在第二方向上的 第二测量。传感器可以包括用于检测电枢磁体的磁场的磁传感器，磁传感器与定子间隔开。 传感器可以通过在某一位置测量磁场在第一和第二方向上的幅度来测量第一和第二测量。 第一和第二方向可以包括与路径垂直的第一方向以及与路径垂直的第二方向。可以提供用 于存储关于磁场的方向与移动构件沿着路径的位置之间相关性的信息的存储设备。可以提 供用于计算磁场的方向与移动构件沿着路径的位置之间相关性的模块。在另一方面中，一般而言，一种主动悬挂系统包括具有定子和电枢的线性电机， 电枢沿着路径相对于定子移动，电枢包括磁体；传感器，用于基于对电枢的磁体生成的磁场 的测量来确定电枢的位置；以及控制器，用于基于电枢的位置来控制线性电机。实现方式可以包括以下特征中的一个或者多个特征。电枢可以耦合到座位或者轮 子。在另一方面中，一般而言，一种主动悬挂系统包括沿着路径可移动的构件，构件 包括沿着路径延伸的伸长磁体，延伸磁体的磁场定向参照路径成角度。该系统包括传感 器，用于基于对伸长磁体生成的磁场的测量来确定构件沿着路径的位置；以及控制器，用于 基于构件的位置来控制构件的移动。实现方式可以包括以下特征中的一个或者多个特征。电枢可以耦合到座位或者轮子。在另一方面中，一般而言，一种主动悬挂系统包括磁体和沿着路径可移动的构件， 该构件随着构件沿着路径相对于磁体移动而改变磁体的磁场分布。该系统包括传感器，用 于基于磁场的定向的测量来确定构件在路径上的位置；以及控制器，用于基于构件的位置 来控制构件的移动。实现方式可以包括以下特征中的一个或者多个特征。该构件可以耦合到座位或者 轮子。在另一方面中，一般而言，来自线性电机的电枢的磁体的磁场相对于定子移动电 枢；以及基于对电枢的磁体生成的磁场的测量来确定电枢的位置。实现方式可以包括以下特征中的一个或者多个特征。可以检测在电枢一端的磁体 之一的磁场。可以确定磁场的方向。确定磁场的方向可以包括确定磁场在第一方向上的第 一测量与磁场在第二方向上的第二测量之比。第一和第二方向可以包括与路径垂直的第一 方向以及与路径垂直的第二方向。该方法可以包括将磁传感器定位于与定子相距一段距离 处并且使用磁传感器以检测电枢磁体的磁场，该距离被选择成减少来自定子生成的磁场的 干扰。关于磁场的方向与移动构件沿着路径的位置之间相关性的信息可以存储于储存器 中。可以确定在磁场的方向与移动构件沿着路径的位置之间的相关性。在另一方面中，一般而言，沿着路径移动构件，该构件包括沿着路径延伸的伸长磁 体，伸长磁体的磁场定向参照路径成角度；以及基于对伸长磁体生成的磁场的测量来确定 构件沿着路径的位置。
实现方式可以包括以下特征中的一个或者多个特征。沿着参照路径成角度的方向 在物理上放置伸长磁体。确定伸长磁体生成的磁场的方向。关于磁场的方向与移动构件沿 着路径的位置之间相关性的信息可以存储于储存器中。可以确定在磁场的方向与移动构件 沿着路径的位置之间的相关性。可以基于磁场的测量来确定构件沿着路径的绝对位置。沿 着路径移动构件可以包括沿着路径移动电机的电枢。在另一方面中，一般而言，沿着路径移动构件，并且随着构件沿着路径相对于磁体 移动而改变磁体的磁场分布；以及基于磁场的定向的测量来确定构件在路径上的位置。实现方式可以包括以下特征中的一个或者多个特征。沿着路径移动构件可以包括 移动随着构件沿着路径移动而改变磁场分布的铁磁元件。沿着路径移动构件可以包括移动 随着构件沿着路径移动而改变磁场分布的钢元件。沿着路径移动构件可以包括横截面随着 构件沿着路径移动而变化的铁磁元件，横截面沿着与路径垂直的平面。沿着路径移动构件 可以包括沿着路径移动电机的电枢。磁体可以维持于相对于电机定子的固定位置。这些和其他方面以及特征及其组合可以表达为方法、设备、系统、用于执行功能的 装置、程序产品和其他方式。这些方面和特征可以具有以下优点中的一个或者多个优点。位置传感器可以既简 单又成本低并且可以在精确度要求低的情况下加以组装。小数目的磁场方向传感器和磁场 源可以用于各位置传感器。


图1是定位系统的示意图。图2是定位系统中使用的传感器的示意图。图3A是磁场方向传感器的图。图3B是示出了磁场分量的曲线图。图4是示出了定位系统中的磁场分布的图。图5和图6是定位系统的示意图。图7是成角度的伸长磁体的示意图。图8A和图8B是传感器和成角度的磁体的横截面图。图9A和图9B是示出了磁场分布的图。图10是示出了磁场分量与磁体移位位置之间关系的曲线图。图IlA是伸长磁体的图。图IlB是示出了磁场方向与磁体移位位置之间关系的曲线图。图12A和图12B是定位系统的示意图。图12C是定位系统的横截面图。图13A和图13B是示出了磁场分布的图。图14是定位系统的示意图。图15是微控制器板的框图。图16是代表存储于校准查找表中的数据的曲线图。
具体实施例方式参照图1，在一些实现方式中，定位系统100使用低分辨率粗略位置感测和高分辨 率精细位置感测的组合以确定电枢106相对于线性电机102的定子104的准确位置。可 以使用位置传感器组件120a和120b(统称为120)来实现精细位置感测。在一个例子中， 位置传感器组件120a和120b包括提供高分辨率相对位置测量的磁场方向传感器IlOa和 110b(统称为110)以及提供电枢106的端点的低分辨率粗略位置测量的一系列霍尔效应 传感器122 (参见图2)。来自场方向传感器110和霍尔效应传感器122的输出由微控制器 322 (参见图15)处理以确定电枢106的高分辨率绝对位置。定子104包括用于传递可控电流以生成可控电磁场的布线或者线圈。电枢106包 括用于产生如下磁场的一系列磁体(例如，108a、108b、...，统称为108)，该磁场与来自定 子线圈的电磁场交互以生成用于移动电枢106的磁力。电枢106的位置和移动由如下外部 控制系统(未示出)控制，该控制系统基于各种信息(例如，电枢106的当前位置)向各种线 圈恰当地施加各种电流。定位系统100的一个特征在于相同磁体108用于力生成(用于移动 电枢106)和位置测量两者。这减少定位系统100的成本，因为无需将附加磁体用于位置感测。定位系统100具有许多应用。例如，系统100可以用作车辆的悬挂系统的一部分 以向驾驶员和乘客提供更大舒适度。系统100可以在行进于颠簸道路之时帮助维持车体稳 定并且在激进操控期间保持车体水平。定位系统100也可以用作驾驶员座位悬挂系统的如 下部分，该部分保持驾驶员座位稳定并且使驾驶员与车辆的其他部分的振动隔离。图1中所示定位系统100使用全行程线性电机102，这意味着电枢106可以延伸到 定子104的任一侧(112a或者112b)。在一些例子中，可以使用半行程线性电机。在该情况 下，单个磁场方向传感器IlOa或者IlOb可以用来确定电枢106在它半行程地行进于定子 104的一侧上时的位置。如在本文献中使用的术语“传感器”可以根据上下文具有各种含义。例如，传感器 可以是简单感测设备，比如霍尔效应传感器、霍尔效应开关或者磁场方向传感器。传感器也 可以是包括处理来自感测设备的信号并且确定电枢的位置的数据处理器的传感器。参照图2，位置传感器组件120包括具有若干霍尔效应传感器122的电路板。在一 个例子中，霍尔效应传感器122隔开比电枢磁体108的距离更少的标称均勻距离。位置传 感器组件120的电路板位于相对于定子104的固定位置。霍尔效应传感器122通过感测电 枢106的端磁体108a的近似绝对位置来测量来自电枢磁体108的磁场并且提供电枢106 相对于定子104的低分辨率粗略绝对位置。这允许定位系统100确定电枢106相对于定子 104的近似绝对位置。与定子104相距最远的霍尔效应传感器122d被定位成使得它可以 在电枢106在它的最远位置时检测端磁体108a的磁场。由于在电枢106的各端的端磁体 如108a可以行进至定子104中的不能放置场方向传感器110的位置，所以霍尔效应传感器 122放置于线性电机102的两端，从而可以针对电枢106的整个行程之上的任何位置感测至 少一个端磁体。在一个例子中，各位置传感器组件(120a和120b)操作时所在的电枢运动 范围(112a和112b)重叠。范围112a和112b可以相等或者可以不相等。其他磁传感器也可以用来检测电枢磁体108以便进行粗略位置感测，比如基于磁 阻的传感器。参照图3A，场方向传感器110测量磁场的方向130相对于参考方向132A的角度θ 10场方向传感器110的例子包括可从瑞士的Sentron AG获得的2SA-10集成2轴霍尔效 应传感器。场方向传感器110可以通过测量磁场的两个正交分量(例如，χ和y分量)之 比来检测磁场的方向角。场方向传感器110相干地补偿磁场强度的变化，因为这些变化往 往在两个分量中成比例，因而它们的比值保持基本上相同。参照图3B，曲线图156示出了场方向传感器110检测的表示为Bx和By的磁场的 两个分量。各分量Bx和By可以随着电枢磁体108相对于场方向传感器110移动而周期地 变化。水平轴代表电枢移动的距离(毫米)，而竖直轴代表Bx和By分量的量值(高斯)。图4示出了定子线圈生成的电磁场140和电枢磁体108生成的磁场142的分布。 磁场142的方向沿着电枢106的行进方向141周期地变化。每当电枢106行进跨越两个磁 体108的距离时，磁场142的方向重复。场方向传感器110可以确定电枢在两个磁体108 的距离内的位置，由此提供高分辨率相对位置感测。由于在电枢各端的端磁体108a可以行 进至定子中的不能放置场方向传感器110的位置，所以霍尔效应传感器122位于电机102 的各端，定位成使得对于在电枢106的整个行程内的任何位置在至少一个霍尔效应传感器 122之下总有磁体。如果场方向传感器110具有xl度的分辨率并且电枢磁体108的节距(节距是指 两个磁体之间的距离)为P，则精细位置感测的分辨率约为p*xl/180。在一些例子中，场方 向传感器110可以具有0. 07度的分辨率，并且电枢磁体108可以具有5mm的节距。这获得 5mm*0. 07/180 = 0. 0002mm 的分辨率。通过组合来自霍尔效应传感器122 (提供低分辨率绝对位置信息)和场方向传感 器110 (提供高分辨率相对位置信息)的测量，可以获得电枢106相对于定子104的高分辨 率绝对位置。在定位系统100组装至电机之后进行校准过程。在定位系统100的最终组装和测 试期间，针对电枢106的多个位置中的各位置记录霍尔效应传感器122和场方向传感器110 的输出。使用外部校准仪器来测量电枢106的位置。校准的电枢位置以及它们的来自霍尔 效应传感器122和场方向传感器110的对应输出存储于校准查找表324中(参见图15)。以 后，当使用定位系统100时，比较从霍尔效应传感器122和场方向传感器110获得的测量与 校准查找表324中的值以确定电枢106的位置。在表值之间插值可以用来获得不受表324 本身的分辨率限制的位置值。校准查找表324允许使用低成本、非校准的传感器。由于接近制造过程的最终阶 段建立查找表324，所以可以增加制造容差。当比较传感器输出与校准查找表324时可以补 偿在定位系统100的制造和组装期间定位系统100的传感器或者其他部分的未对准生成的误差。场方向传感器110放置于与定子线圈充分远离的距离D处，从而场方向传感器110 不受来自定子线圈的磁场140影响。这一要求与霍尔效应传感器的位置要求兼容，因此位 置传感器组件120的相同电路板可以用来保持场方向传感器110和霍尔效应传感器122。 磁屏蔽方案也可以用来防止来自电机线圈的场在场方向传感器110的位置影响电枢磁场。参照图5，在一些实现方式中，定位系统160使用节距小于电枢磁体108的放置于 电枢106的侧部上的一系列附加磁体162以提供精细定位信息。测量小节距磁体162生成 的磁场的方向的场方向传感器(在图中受其他部件遮蔽而不可见)可以用来确定电枢106
8的高分辨率相对位置。通过组合来自霍尔效应传感器122和场方向传感器的测量数据，可 以确定电枢106的高分辨率绝对位置。在一些例子中，小节距磁体162包括具有交替极性的离散磁体。在一些例子中，磁 体162可以由具有交替极性区域的条状磁体制成。离散磁体或者条状磁体可以放置于钢衬 板上。图1的例子将检测端电枢磁体108a的霍尔效应传感器122用于粗略位置感测。如 下文所述，可以使用其他粗略位置感测方法。参照图6，在一些实现方式中，定位系统170将成角度的伸长磁体172(参照电枢 106的运动方向成角度装配的伸长磁体)用于生成在粗略位置感测中使用的磁场。伸长磁 体172可以类似于在电冰箱磁密封中使用的条状磁体。伸长磁体172延伸可与电枢106的 行进长度相比的长度，并且因为它参照在一个例子中如图4中所示基本上水平的运动方向 (141)成角度装配，所以可以提供方向在与随着整个行进长度而变化的运动方向垂直的平 面中的磁场分量。磁场方向的改变可以由磁场方向传感器182(参见图7)检测以提供粗略 绝对定位信息。在一些应用中，该绝对位置测量可以针对某些应用提供足够准确度而无需 任何其他部件用于更精细分辨率的测量。参照图7，在一些例子中，伸长磁体172可以是单极性条状磁体172，该磁体放置于 钢衬板173上并且定向成使得伸长磁体172的纵向方向174相对于电枢行进方向176成角 度θ 2。伸长磁体172在第一位置178具有一端186并且在钢衬板173上的第二位置180 延伸到另一端188。图8Α是钢衬板173、传感器182和伸长磁体172的端186的横截面图。图8Β是钢 衬板173、传感器182和伸长磁体172的另一端188的横截面图。磁场传感器182被定位成 使得当在电枢移动方向上查看时，成角度的磁体172的端186位于传感器182的左下侧，并 且条状磁体172的另一端188位于传感器182的右下侧。随着电枢106移动，磁场在场方 向传感器182附近的分布相应地改变。在本说明书中，术语“左”、“右”、“上”、“下”、“水平，，和“竖直”是指图中的部件的
相对位置。部件可以具有其他位置或者定向。图9Α示出了伸长磁体172的一极磁化的磁场190的分布。图9Β示出了伸长磁体 172的两极磁化的磁场190的分布。钢衬板173附着到电枢106，而场方向传感器182位于 相对于定子104的固定位置。当电枢106相对于定子104移动时，成角度的伸长磁体172 相对于传感器182移动。当电枢106移动它的行程的全长度时，场方向传感器182从在位 置A改变成相对于磁体172的位置B。传感器182被定向成检测磁场190的Bx和By分量。在这一例子中，Bx分量垂直
于电枢106的行进路径。By分量与电枢106的行进路径垂直而与磁体172的上表面192正 、-父。图10是具有曲线202和204的曲线图200，这些曲线分别代表磁场190的Bx和By 分量的幅度与电枢106的位置的关系。水平轴代表电枢移动的距离(毫米)，并且竖直轴代 表Bx和By分量的量值(高斯)。通过限制用于给定的磁条和钢衬板设计的附着角，Bx和 By分量的测量组合对于电枢106在整个行程内的各位置而言为唯一的。因此，来自场方向 传感器182的输出可以用来确定电枢106的绝对位置。
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参照图11A，示出了伸长磁体172具有一极。也可以使用具有两极的伸长磁体210。 伸长磁体210的两极被定向成具有相反极性以在伸长磁体210在参照电枢行进方向成角度 放置时的长度内提供如场方向传感器测量的磁场方向的更大改变。参照图11B，曲线图220示出了如下曲线222，该曲线代表在磁场方向与成角度的 1极伸长磁体172在χ方向上相对于传感器182的位置(参见图8A和图8B)之间的2D有 限元场关系。曲线224示出了在磁场方向与成角度的2极伸长磁体210在χ方向上相对于 传感器182的位置之间的关系。在这一例子中，各磁体在χ方向上从_2mm移位成+2mm。曲 线222和224的比较表明针对成角度的2极伸长磁体210的磁场方向改变为成角度的1极 伸长磁体172的磁场方向改变的约两倍。使用3. 4MG0e条状磁体来产生曲线图220中所示关系。磁体172和210被定位成 使得在X方向上从磁体的一端到另一端有4mm移位(例如，在图9中的位置A与B之间的 距离为4mm)。对于成角度的1极条状磁体172，磁场方向的改变为69°。通过比较，对于成 角度的2极伸长磁体210，磁场方向的改变为152°。比较成角度的1极和2极伸长磁体，使用成角度的2极伸长磁体210的优点在于 可以获得更大磁场方向改变。使用成角度的1极伸长磁体172的优点在于对于相同总磁 体尺度，1极条状磁体172可以生成更强磁场，这可以在测量期间提供更高信噪比。参照图12A和图12B，在一些实现方式中，定位系统230通过使用锥形钢片231以 在电枢106移动时改变磁场的分布来获得粗略定位信息。图12B是图12A的部分235的放 大图。磁场由一个或者多个永磁体(例如，232和290)生成，并且磁场方向由磁场方向传感 器238检测。图12C是定位系统230的横截面图。可以提供一个或者多个钢部件234，其中一个 或者多个钢部件234和钢片232提供高导磁率的路径。钢片232可以例如是钢件240的一部分。钢件240可以具有附着到支撑件224的 部分242，该支撑件244又耦合到电枢106。钢片231从支撑件244向外延伸并且具有锥形 形状，从而钢片232的一端246比钢片231的另一端248更窄。钢片231的部分穿过传感 器238与磁体290之间的区域296。当电枢106在它的全行程内行进时，钢片231在区域 296中的部分的宽度改变。由于钢片231具有高于空气的导磁率，所以改变钢片231在区域 296中的部分的宽度改变在场方向传感器238附近的磁场分布。图13A和图13B示出了两个永磁体232和290在钢片231在两个不同位置时的磁 场分布仿真。当钢片231的较宽端248在区域296中时(如图13A中所示)，较高密度的磁 通穿过钢片231。在这一例子中，场方向传感器238检测的磁场具有方向292。当钢片231 的较窄端246在区域296中时(如图13B中所示)，较低密度的磁通穿过钢片231。在这一 例子中，场方向传感器238检测的磁场具有方向294。这表明当电枢106在它的全行程内行 进时，磁场方向在方向292与294之间改变。可以选择各种系统参数(比如磁体数目、各磁体的尺寸和位置、输送通量的钢部 分的尺寸和形状以及场方向传感器238的位置)，从而有允许场方向传感器238恰当操作的 足够磁场强度并且在电枢106行进整个行程时有足够大的磁场方向差异。钢片231、场方向传感器238以及磁体232和290可以具有适应各种设计约束(如 对可用空间的限制)的各种位置和定向。
参照图14，在一些实现方式中，与定位系统230(图12A)类似的定位系统298使 用与系统230中的钢片和场方向传感器相比旋转90°的钢片233和场方向传感器238。随 着电枢106移动，延伸到场方向传感器238与一个或者多个磁体290之间的区域316中的 钢片233的量改变，由此改变在场方向传感器238附近的磁场分布，这类似于图12A中的情 形。可以调节定位系统的定向以利用线性电机的开放空间以减少定位系统和线性电机的组 合的总尺寸。参照图15，在一些实现方式中，定位系统100 (图1)、160 (图5)、170 (图6)、230 (图 12A)和298(图14)各自包括用于确定电枢106的位置的微控制器单元(MCU)板320a和 320b。MCU板320a包括如下微控制器322，该微控制器处理来自场方向传感器IlOa的信号 330a和330b (统称为326)以及来自位于第一侧112a的霍尔效应传感器122的信号332a、 332b,332c等(统称为328)。MCU板320b包括如下微控制器322，该微控制器处理来自位 于第二侧112b的场方向传感器IlOb和霍尔效应传感器122的信号。在一些例子中，单个 MCU可以用来处理来自两个板320a和320b的场方向传感器110和霍尔效应传感器122的 信号。信号330a和330b代表可以用来确定磁场方向或者角度的对磁场的两个分量的测 量。磁场方向可以用来确定电枢106的高分辨率相对位置。信号332a、332b和332c等代 表来自霍尔效应传感器122的测量并且可以用来确定电枢106的粗略绝对位置。微控制 器322组合信号326和328以确定电枢106相对于定子104的高分辨率绝对位置。MCU板 320a和320b进行类似位置测量，但是在电枢106的不同行进部分内，从而针对任何电枢位 置的有效位置测量可用。覆盖区域的一些重叠可以在电枢的移动需要从一个板的测量区域 向另一个板的测量区域的转变时提供有效测量。两个测量区域的大重叠给予的益处在于允 许位置读数为来自电机的相反端上的各板的有效读数的平均数。该平均将趋于消除热膨胀 效果引起的位置误差并且减少来自随机电噪声的误差。例如，定位系统可以在宽的温度范 围内(比如从-40°至+120° )提供准确定位。MCU板320a和320b相互通信，并且如图所 示，板320a上的MCU具有的附加任务在于确定当前提供有效位置数据的一个或者多个板、 在适当时平均并且向需要数据的外部系统传达位置测量。在组装和测试定位系统100之后，进行如下校准过程，在该校准过程中比较来自 场方向传感器110和霍尔效应传感器122的测量与测量电枢106的位置的外部校准仪器进 行的测量。校准的测量存储于校准查找表324中。参照图16，曲线图340示出了存储于校准查找表324中用于在定位系统100 (图1) 中使用的校准测量。曲线图340中的各圆对应于查找表324中存储的测量值。曲线图340 的水平轴代表电枢106的位置。在这一例子中，电枢106行进120mm，从而代表测量板之一 测量的行进部分。曲线图340包括两个数据集。第一数据集342 (由形成锯齿状函数的圆代表)包括 从场方向传感器110获得的角度测量数据。第一数据集342表明磁场的方向随着电枢106 的位置而周期地改变。例如，当电枢106从0移动约9mm时，磁场方向从约125°改变成约 359°。当电枢106从约9mm移动约21mm时，磁场方向从约26°改变成约330°等。角度 测量提供相对定位，因为各角度值可以对应于若干可能电枢位置。第二数据集334(由形成阶梯状函数的圆代表)代表如来自霍尔效应传感器122的输出所确定的端磁体位置。第二数据集344包括数据子集，各数据子集对应于霍尔效应 传感器122之一。例如，第一数据子集344a表明当电枢位置在约0至9mm之间时第一霍尔 效应传感器122a(参见图2)检测电枢106的端位置。第二数据子集334b表明当电枢位置 在约9mm至21mm之间时第二霍尔效应传感器122b检测电枢106的端位置等等。在已经建立校准查找表324之后，比较来自传感器的测量与查找表324中的值以 确定电枢106的准确位置。例如，比较来自霍尔效应传感器122的输出与第二数据集344 以确定低分辨率绝对位置。霍尔效应传感器信号可以用来确定电枢106位于例如0至9mm 之间还是9mm至21mm之间等。比较来自场方向传感器110的输出与第一数据集342以确定高分辨率绝对位置。 例如，假设霍尔效应传感器122表明电枢106在9mm至21mm之间，并且场方向传感器110 表明磁场的方向具有约247°的角度。传感器测量匹配查找表342中的数据点346，并且数 据点346表明电枢106在约19mm的位置。存储于查找表324中的校准测量数目越大，后续位置测量可以越准确。查找表324 可以存储于非易失性存储器如闪存或者电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)中。鉴于非 易失性存储器的容量，有限数目的校准测量可以存储于查找表324中。如果磁场角度测量不匹配于查找表324中存储的值，则插值过程可以用来估计电 枢106的位置。例如，假设场方向传感器110输出角度测量X，并且查找表324具有角度值 Xn和Xn+1，其中Xn < X < Xn+1, Xn对应于电枢位置yn，并且χη+1对应于电枢位置yn+1。使用线 性插值，可以确定角度χ以对应于电枢位置y = yn+Δ y，其中Ay=mn· ΔΧ，Δ χ = χ-χη, 并且mn= (yn+「yn)/(Xn+1-Xn)。可以预先计算并且在查找表324中存储斜率％以便减少MCU 为了进行插值计算而需要的时间。可以通过适当地向点之一加上或者减去360度的偏移来 进行跨越360度绕回不连续点的两个角度值之间的插值，以有效地消除该绕回不连续点， 然后进行插值。可以预先计算并且在表中存储这些偏移值以减少插值计算时间。如图16中可见，磁场角度与电枢位置的关系不连续。这归因于角度值在数学上限 于0-360度的范围，从而在降至0度以下或者升至360度以上时造成瞬态改变或者绕回。类 似地，在电枢位置与根据霍尔效应传感器输出而确定的粗略位置之间的关系也不连续。为 了增加电枢位置测量准确性，可以在校准查找表324中存储如下附加数据点，这些数据点 代表在出现不连续点的位置附近使用更小位置增量而进行的测量。虽然已经描述各种实现方式，但是其他实现方式在所附权利要求书的范围内。例 如，当线性电机(该电机具有有限行程，从而在电机一侧上的电枢磁体总是暴露于传感器) 使用于图1的定位系统100中时，需要使用仅一个MCU板320。定位系统100、160、170、230 和298可以使用于除了悬挂系统之外的应用(比如确定各种机器如机器人的活动部分的位 置)中。在一些应用中，仅粗略位置感测就可以提供足够分辨率。例如，当定位系统170使 用于无需高精确度的电枢定位的应用中时，仅以成角度的伸长磁体172的效果为基础的粗 略位置感测可以是足够的。类似地，当定位系统230使用于无需高精确度的电枢定位的应 用中时，仅以锥形钢片231的效果为基础的粗略位置感测可以是足够的。定位系统的部件可以具有与上述配置和使用材料不同的配置和使用材料。例如， 可以使用各种类型的磁传感器，比如可从Honeywell公司获得的磁阻角度传感器HMC 1501
12或者HMC 1512或者可从Melexis公司获得的基于霍尔效应的场方向传感器。可以使用各种 类型的磁体。磁体的北极和南极定向可以不同于上述定向。钢片231 (图12A)可以具有各 种形状。可以使用多于一个钢片。钢片231可以替换为导磁率与空气的导磁率不同的非钢 材料。存储查找表324的非易失性存储器可以内置于微控制器322中或者在微控制器322 外部。 与定位系统170、230和298 —起使用的校准查找表可以不同于曲线图340代表的 查找表。例如，用于定位系统170的校准查找表可以包括针对各种电枢位置对于成角度的 伸长磁体172生成的磁场的方向的校准测量。用于定位系统230和240的校准查找表可以 包括针对各种电枢位置对于磁体232和290生成的磁场的方向的校准测量。可以在维护定 位系统期间更新和重新校准查找表。
权利要求
一种装置，包括沿着路径可移动的构件，所述构件包括沿着所述路径延伸的伸长磁体，所述伸长磁体的磁场定向参照所述路径成角度；以及传感器，用于基于对所述伸长磁体生成的磁场的测量来确定所述构件沿着所述路径的位置。
2.根据权利要求1所述的装置，其中参照所述路径成角度的所述伸长磁体的磁场定向 通过沿着参照所述路径成相同角度的方向在物理上放置所述伸长磁体来实现。
3.根据权利要求1所述的装置，其中参照所述路径成角度的所述伸长磁体的磁场定向 通过沿着参照所述路径成相同角度的方向印刷所述伸长磁体的磁场定向来实现。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述伸长磁体包括第一部分和第二部分，所述第 一部分具有与所述第二部分的从北至南的磁方向不同的从北至南的磁方向。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述传感器确定所述伸长磁体生成的磁场的方向。
6.根据权利要求5所述的装置，还包括用于存储关于所述磁场的方向与所述构件的位 置之间相关性的信息的存储设备。
7.根据权利要求5所述的装置，还包括用于计算磁场的方向与所述构件的位置之间相 关性的模块。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述传感器基于所述磁场的测量来确定所述构件 沿着所述路径的绝对位置。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述构件包括电机的电枢。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述构件相对于所述电机的定子沿着路径可移 动，所述传感器与所述定子间隔开以减少来自所述定子生成的磁场的干扰。
11.一种装置，包括磁体；沿着路径可移动的电机的电枢，所述电枢随着所述电枢沿着所述路径相对于所述磁体 移动而改变所述磁体的磁场分布；以及传感器，用于基于对磁场的定向的测量来确定所述电枢在所述路径上的位置。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述电枢包括随着所述电枢沿着所述路径移动 而改变磁场分布的铁磁元件。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述铁磁元件具有随着所述构件沿着所述路径 移动而变化的横截面，所述横截面沿着与所述路径垂直的平面。
14.根据权利要求11所述的装置，其中所述磁体相对于所述电机的定子固定。
15.一种主动悬挂系统，包括线性电机，包括定子和电枢，其中所述电枢沿着路径相对于所述定子可移动；所述电枢包括沿着所述路径延伸的伸长磁体；以及所述伸长磁体的磁场定向参照所述路径成角度；传感器，用于基于对所述伸长磁体生成的磁场的测量来确定所述电枢沿着所述路径的 位置；以及控制器，用于基于所述电枢的位置来控制所述电枢的移动。
16.根据权利要求15所述的主动悬挂系统，其中所述电枢耦合到座位。
17.一种方法，包括沿着路径移动构件，所述构件包括沿着所述路径延伸的伸长磁体，所述伸长磁体的磁 场定向参照所述路径成角度；以及基于对所述伸长磁体生成的磁场的测量来确定所述构件沿着所述路径的位置。
18.根据权利要求17所述的方法，包括基于磁场的测量来确定所述构件沿着所述路径 的绝对位置。
全文摘要
用于车辆底盘的主动悬挂系统的线性电机(102)的位置检测。长的永磁条(172)相对于移动方向成小角度固定到移动器。在定子侧上的霍尔传感器设备(182)检测来自永磁条的准确场方向。取而代之，在定子侧上的永磁体(232，290)偏置的霍尔传感器(328)检测由固定到移动器的长楔形钢片(231)所产生的场变化。
文档编号H02K41/03GK101971470SQ200980109156
公开日2011年2月9日 申请日期2009年3月12日 优先权日2008年3月25日
发明者R·F·奥戴 申请人:伯斯有限公司