专利名称：带有故障指示器的位置编码器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及带有故障指示器的位置编码器。具体来说，本发明涉及用于磁阻并关驱动系统的带有故障指示器的位置编码器。
一般来说，磁阻设备可作为一个电动机来操作，其中通过它的可移动部件移入磁路磁阻最小的位置(即，激励绕组的电感最大的位置)的趋势来产生转矩。
在一种类型的磁阻设备中，相绕组的激励是以一个可控的频率发生的。这些设备可作为电动机或发电动机操作。通常称这些设备为同步磁阻电动机。在第二种类型的磁阻设备中，要提供检测转子的角位置的电路，并且按照转子位置的变化来激励相绕组。第二种类型的磁阻设备也可以是一个电动机或是一个发电动机，并且通常将这种设备称之为磁阻开关设备。本发明一般来说可应用于磁阻开关设备，本发明一般来说可应用于磁阻开关设备，其中包括作为电动机或发电动机操作的磁阻开关设备。
图1表示作为电动机操作的磁阻开关设备的磁阻开关驱动系统10的主要部件。输入直流电源11可以是电池、也可以是经整流、滤波的交流电源。电源11提供的直流电压在电控单元14的控制下在电极12的相绕组上进行开/关变化。这种开/关操作必须和转子的旋转角度同步才能准确操作驱动系统10。一般还要使用一个转子位置检测器15来提供和转子的角位置对应的信号。还可以使用转子位置检测器15来产生速度反馈信号。
转子位置检测器15可以采用许多形式。在某些系统中，转子位置检测器15可以包括一个转子位置传感器，一旦转子转动到一个在电源变换器13中需要有不同的设备转接安排的位置时，该传感器即提供改变状态的输出信号。在另一些系统中，转子位置检测器15可以包括一个相对位置编码器，一旦转子转过一个预先选定的角度，该编码器即提供一个时钟脉冲(或类似信号)。
在转子位置检测器15包括一个转子位置传感器的系统中，如果转子位置传感器电路出了故障，不能准确地提供代表转子的角度位置的输出信号，那么就可能严重地降低系统的性能，或者在最坏的情况下会使电动机失效。在某些情况下，试图根据转子位置传感器的错误输出控制一个设备的控制器14有可能使设备和控制电路的其余部分全都损坏。
通过参照图2和3，就可说明从转子位置检测器15输出准确的信号的重要性。图2和3说明的是作为电动机操作的磁阻设备的开/关操作。
大体如图2所示，转子极20正在按箭头20所示靠近定子极21。如图2所示，一个完整的相绕组23的一部分绕在定子极21的周围。如以上所述，当定子极21周围缠绕的部分相绕组23被激励时，将在转子上施加一个力，推动转子极20与定子极21对齐。
图3大体表示出控制绕在定子极21上的部分相绕组的激励的电源变换器13中的开关电路。当电源开关器件31和32接通时，相绕组23偶合到直流电源上，并且激励相绕组。
一般来说，相绕组被激励以实现转子的下述转动在转子的第一角位置(称之为导通角)，控制器14提供开关信号，使两个开关器件31和32都导通。当开关器件31和32都导通时，相绕组偶合到直流母线上，使电动机中建立的磁通增加。正是这种加在转子极上的磁通，才产生了电动机转矩。随着设备中磁通的增加，电流就从直流总线提供的直流电源穿过开关31和32、并且穿过相绕组23流动。在某些控制器中，采用了电流反馈，并且通过通/断电流来控制相位电流的幅度，而电流的通/断是通过迅速接通和断开一个或两个开关器件31和/或32实现的。
在许多系统中，相绕组保持与直流母线的连接(如果采用了通/断装置，则保持与通/断装置的连接)，直到转子转到被称之为转子的“自由转角”时为止。当转子到达与自由转角相对应的一个角位置(在图2中的位置24)时，其中的一个开关(如，开关31)断开。因此，流过相绕组的电流继续流动，但这种流动只通过一个开关(在该例中，为开关32)，并且只通过一个返回二极管(在该例中，为二极管34)。在自由转动期间，在相绕组两端几乎没有电位差、磁通基本上保持不变。电动机系统保持在该自由转动状态，直到转子转到称之为“断开”角的一个角位置(在图2中由位置25表示)时为止。当转子达到断开角时，两个开关31和32都截止，并且相绕组中的电流开始流过二极管33和34。然后，二极管33和34在相反的方向向绕组23施加来自直流母线的直流电压，因而使设备中的磁通减小，因而使相位电流减小。
磁阻开关电动机中相绕组的激励强烈地依赖于精确检测转子的角位置。如果转子位置检测器失效，并且控制器继续不断地激励相绕阻，那么就要在电动机内积累起危险的大电流，有可能损坏电动机和控制器。但当驱动系统失效时，通常必须检验各个控制和电动机部件以便找到失效的部件。有益的作法是，设置一个专门用来指示驱动系统的故障是转子位置检测器的故障的结果的指示器，从而就不必试图进行不必要的检查和故障排除。虽然某些复杂的转子位置检测器具有某些故障指示电路，但这些编码器相当昂贵，并且需要附加的硬件才能正确操作。现有的位置解码器没有提供可指示转子位置检测器失效时间的低成本的、小型的转子位置检测器。
本发明的目的是克服现有的位置检测器的上述缺点和其它的一些缺点，并且在不需要复杂的或昂贵的附加电路的条件下提供一种相当廉价的转子位置检测器，该检测器可指示故障发生的时间。
在独立权利要求中限定了本发明。在各个依赖于独立权利要求的从属权利要求中列出了本发明的优选特征。
本发明引伸到一种转子位置检测器，该检测器提供可指示位置检测器失效的信号。在本发明的一个实施例中，转子位置检测器包括多个位置传感器和从多个位置传感器接收位置信号的一个故障检测器。位置信号代表磁阻开关电动机的转子位置，该位置信号具有允许状态，当转子位置检测器正常操作时产生允许状态。如果多个传感器中的一个或几个传感器失效，则在来自位置传感器的位置信号中出现一种非法状态。如果位置检测器的旋转元件从它的位置发生了移动、损坏、或者，如果部分旋转元件脱开，则会产生类似的非法状态。故障检测器检测这些非法状态，并且在发生一个非法状态时产生一个故障信号。因此，电动机控制器能够响应故障信号停止电动机操作，或者触发另一个定位方案。
在另一个实施例中，来自编码器的输出信号确定了输出状态，并且对于输出状态来说，存在当位置编码器正常操作时产生的输出状态的可允许序列。在该实施例中，对来自位置编码器的输出状态序列进行监测；并且一旦在输出序列不是可允许序列时就马上产生一个编码器故障信号。
在阅读了典型实施例的下列详细描述并且参考下述附图后，本发明的其它方面和优点将变得非常清楚，这些附图是图1表示磁阻开关驱动系统的主要部件；图2表示靠近定子极的转子极以及与该定子极相关联的部分相绕组的换向点；图3大体表示控制与图2的定子极相关联的部分相绕组的激励的电源变换器中的开关电路；图4表示本发明的一个实施例可利用的使用一个叶片和3个位置传感器的位置编码器；图5表示按本发明的一个实施例的故障检测器电路；图6表示图4的位置编码器的定时关系图，详细地表示出本发明的一个实施例的操作；以及图7大体表示出按本发明用于检测非法输出状态序列的另一个故障检测电路。
在几个附图中，类似的标号表示类似的部件。
下面描述本发明的说明性的实施例，使用本发明的故障检测电路可实施这些实施例，从而就能有效地检测磁阻开关电路的位置检测器或位置编码器。为清楚起见，在本说明书中描述的不是实际实施方案的所有的特征。
本发明涉及位置编码器的故障检测器，该位置编码器使用了多个位置传感器。故障检测器接收来自多个位置传感器的位置信号。位置信号代表一个电设备(如，磁阻开关设备)的转子位置，并且该位置信号具有位置传感器操作正常的条件下产生的允许状态。如果多个传感器中的一个或几个传感器失效，则产生来自位置传感器的位置信号的非法状态。如果位置传感器的旋转部件损坏(例如，如果旋转部件从它的位置发生了移动，或者失去了一块)，也要产生非法状态。在产生非法状态时，故障检测器产生一个故障信号。因此，该控制器可以响应故障信号而停止电动机操作，或者触发另一个定位方案。
图4表示本发明的故障检测器电路可以利用的一种类型的位置编码器。该位置编码器包括一个旋转部件一叶片40，如图4所示的叶片40带有8个等距隔开的遮光部分42a-h和8个等距隔开的透光部分44a-h。在该实施例中，叶片40安装在设备的转子轴上。叶片40按此方式反映转子的角位置。该位置编码器进一步还包括3个开缝的光传感器46a-c，它们的安装位置偏离一个静止部件15°。
传感器46a-c包括一个光源，当叶片的透光部分占据传感器位置时(即，当传感器靠近叶片的空缺区域时)，该光源提供可射在光检测器上的光束。当光源的光射在检测器上时，传感器46产生第一逻辑电平(例如，逻辑0)的数字输出信号。当叶片40的遮光部分(即，部分42a-h之一)占据了传感器46a-c之一的位置(即，当传感器靠近了叶片的标记区)，遮光部分挡住了光，没有光射到该传感器的检测器上。当光没有射到传感器上时，该传感器将产生第二逻辑电平(如，逻辑1)的数字输出信号。一般来说，可将使传感器产生逻辑0信号的叶片透光部分称为叶片的“空缺”区，并将遮光部分称为叶片的“标记”区。
按本发明的教导，要对传感器46a-c的位置进行确定，以使传感器的输出能确定一个输出状态，并且存在当传感器正常操作、转动叶没受损伤、并且叶片准确定位时决不会发生的传感器46a-c的某种输出状态。例如，在图4的实施例中，叶片的标记区和空缺区的角跨度确定了一个22.5°的角距。如图4所示，在每两个传感器之间的角距为15°(小于标记区和空缺区的角跨度)，并且最靠外的两个传感器之间的角距为30°(大于标记和空缺区的角跨度)。
因为在叶片的标记区和空缺区的角跨度与传感器的定位位置存在这种相互关系，所以当转子位置检测器正常操作时存在某种不可能发生的输出状态。例如，在图4的实施例中，传感器46a-c在正常操作时的输出状态(或输出模式)可以是101、001、011、010、110和100。但在正常操作时，传感器的输出决不可能是状态(或模式)111，这是因为叶片的标记区和空缺区的角跨度小于最外边的两个传感器46a和46c之间的30°的角距所致。按相同的方式，当转子位置检测器正常操作时，标记区和空缺区的角跨度以及传感器的定位位置排除了000的输出状态或模式。
按照本发明的一个实施例，通过监测传感器的输出、并且一旦发生两个非法状态、111和000中的任何一个时产生一个故障信号，可对转子位置编码故障(其中包括传感器46a-46c的故障)进行检测和指示。
应该注意的是，使用带有透光的空缺区和遮光的标记区的叶片40以及光检测传感器46a-c只是举例说明。本发明一般来说可应用于使用了具有正常操作时不会产生某些输出状态的多个传感器的所有形式的位置检测器。例如，本发明可应用于使用包括磁标记区和非磁空缺区的叶片的位置传感器，其中检测标记区和空缺区的传感器是霍尔效应器件。类似地，叶片可包括铁磁材料构成的多个凸齿，并且每个传感器都可以是磁阻传感器形式。产生数字信号的其它的装置包括有电容或电感变化的区域，和检测这些变化的适当的传感器。还有，可以使用光反射率的变化来替代光透射率变化的区域。本发明还可应用到使用与结合图4以上讨论的传感器不同的一系列传感器的位置检测器。
一般来说，本发明可应用到可产生对于转子状态的每个变化只改变输出中的一位的数字输出位置信号的位置检测器，这是有益的。换句话说，本发明的特别适合于按格雷码(二进制循环码)产生位置信号的位置传感器。
此外，本发明可应用于利用与图4所示不同的标记区和空缺区、不同的标记与空缺比、以及不同的传感器数目的位置传感器。
进一步还要注意，本发明只要求存在当转子位置检测器正常操作时不会出现的一个或几个非法状态。例如，如果有N个传感器，每个传感器产生一个逻辑值为高、或为低的信号，则必然存在小于2N个允许输出状态，其中至少存在一个非法状态。非法状态的产生表示一个或几个传感器、或转动的叶片出了故障。
图5表示按本发明的故障检测器电路50的一个实施例。故障检测器电路50接收图4的3个位置传感器46a-46c的输出，以此作为它的输入。3个传感器46a-46c的输出作为输入提供给三输入端或非门52和三输入端与门54。仅当或非门52的所有3个输入全为逻辑低时，三输入端或非门52的输出才为逻辑高。因此，当产生非法输出状态000时或非门52的输出才为高。按类似的方式，仅当与门54的3个输入都为逻辑高时，与门54的输出才为逻辑高。因此，当产生非法输出状态111时，与门54的输出就为逻辑高。
或非门52和与门54的输出作为输入加到或门56，因此一旦出现非法状态，或门56的输出就变为逻辑高。因此，或门56输出的逻辑高就表示出传感器46a-c之一出错或转动的叶片出了问题。在图5的实施例中，将或门56的输出的输出逻辑高存贮在故障锁存器58中，因此可以保持来自故障检测器50的故障指示。控制器电路(未示出)可以监测故障检测器50的输出或故障锁存器58的输出，以确定故障发生的时间。在发生故障时，控制器电路可停止驱动系统操作，转接到一个附加的定位方案，或者实现某种类型的故障检测。
图6大体表示出传感器46a-c和故障检测器50的操作。一般来说，图6的上边的3个波形表示设备操作期间叶片转过传感器46a-c时传感器46a-c的典型输出。图6的下边的波形代表故障输出，在图5的实例中该输出是故障锁存器58的输出。
参照图6，对于正常的操作状态，故障检测器50产生一个表示正常操作的低逻辑传感器输出。如果一个位置传感器46(如，传感器46a)在点60处失效，并且产生一个非法状态(如，000)，则要产生一个表示传感器失效的逻辑高输出。将这个逻辑高输出锁存到故障锁存器58中，并且故障锁存器58的输出将要保持该逻辑高输出，一直到故障锁存器58复位时为止。
虽然图5的实施例使用了分立的逻辑门来检测代表故障的非法状态，但可以推想出另外一些实施例，其中的故障检测器50包括一个集成的数字电路芯片(例如，贴合特殊集成电路(ASIC))或一个微处理器，用于确定位置信号46a-c是代表位置传感器的正常操作还是代表它的错误操作。
在本发明的另一个实施例中，对位置编码器提供的输出信号序列进行监测，并且一旦出现输出状态的非法序列，则表示一个编码器故障。例如，在图4的实施例中，当位置编码器正常操作时，输出状态100决不会出现在输出状态011的后面。类似地，当编码器正常操作时，输出状态001决不会出现在输出状态011的后边。于是，如果出现输出序列011-100、或011-001，则表示编码器出错或发生故障。这种差错检测方法可以检测出编码器中的差错，即使每个单个的输出状态都是合法状态也能作到这一点。
通过使用一个查找表就可实施这另一个实施例，在该查找表中对每一个输出状态都存贮了一个或多个相邻的(或下一个)允许状态。当编码器的输出从第一输出状态变到第二输出状态时，将该第二输出状态与第一输出状态的下一个允许状态(一个或多个)进行比较。如果该第二输出状态与该下一个允许的输出状态(一个或多个)不一致，则产生一个表示位置编码器差错的编码器故障信号。
图7大体表示出按本发明的实施例用于检测输出状态非法序列的另一个故障检测电路的一个实例。在图7中，编码器的现行输出状态在数据母线70上出现。数据母线70偶合到延迟锁存器71的输入端。通过位置编码器的输出状态每次变化时产生一个时钟脉冲的一个电路(未示出)，对延迟锁存器进行计时。输出状态每次变化时产生一个时钟脉冲的电路的结构在本领域普通技术人员的水平范围内，这里对此不予讨论。延迟锁存器71的输出代表位置编码器的延迟输出状态(即，现行输出状态的前一个输出状态)。将前一个输出状态作为输入经母线72提供给查找表73。
查找表73中已经存贮了前一个输出状态的允许的下一个(或多个)输出状态。查找表73响应于在它的输入端的一个合法的输出状态而在它的输出端产生前一个输出状态的下一个允许输出状态(一个或多个)。在图7的实施例中，对于每个合法的输出状态只存在一个允许的下一个输出状态，当然还可以推想出另外一些实施例，其中的可允许的随后的输出状态不止一个。
经数据母线74将来自查找表73的允许的下一个输出状态信号提供给数字比较器75的一个输入端。由数据母线70提供的现行输出状态是数字比较器75的另一个输入。数字比较器75比较现行的输出状态与前一个输出状态的下一个可允许的输出状态，并且一旦现行输出状态与前一个输出状态的下一个可允许的输出状态不一致，则在其输出端(母线76)产生一个故障信号。可以按和以上对来自图5的或门56的故障信号讨论的相同的方式由电动机系统处理来自比较器75的故障信号。在某些应用中，可能必须对比较器75计时，以便只在响应于输出状态的前一个变化稳定了查找表73的输出后再进行比较。
如以上所述，在图7中，对每个合法的输出状态只存在一个可允许的下一个状态。在对每个合法的输出状态存在不止一个可允许的随后输出状态的应用中，可使用附加的比较器。可通过逻辑电路组合各个附加比较器的输出，以便当编码器现行输出状态与前一个状态的可允许的多个随后输出状态中的任何一个状态不一致时产生一个编码器故障信号。
虽然在图7中使用的是分立的电路，但通过使用正确编程的微处理器、微控制器、ASIC、或类似器件也能实现该另一个实施例。虽然在图7中没有表示出来，但可以将检测输出状态非法序列的电路与检测非法输出状态的电路组合在一起。
虽然借助于旋转设备描述了本发明，但普通技术人员应该认识到，可把相同的操作原理应用到直线位置编码器，效果是相同的。例如，普通技术人员应该认识到，可将磁阻设备(正像其它类型的电设备一样)作成一个直线电动机。直线电动机的移动部件在本领域内也称之为“转子”。这里使用的术语“转子”旨在还包括直线电动机的移动部件在内。
使用各种电路类型和布局都可实现借助于上述实例和讨论公开的本发明的原理。根据位置编码器实施方案和期望的性能特征可以使用各种各样的逻辑部件、器件、和结构形状来实施故障探测器。然而，编码器和位置传感器检测器可与具有定子极或转子极的磁阻设备一道使用，但转子极或定子极的数目可与这里所示的有所不同。此外，本发明还可应用到倒置式设备(即，转子在定子的外部旋转的设备)以及任何一种位置编码器，如用于无刷直流电动机或其它换向电动机的位置编码器。在本领域内的普通技术人员应该认识到，在不严格透照这里图示和描述的典型应用的条件下，并且在不偏离下述权利要求规定的本发明的真正构思和范围的条件下，对本发明还可以作出这些和各种其它的修改和变化。
权利要求
1.一种位置编码器，包括一个部件；多个传感器，响应于该部件的位置，当编码器正常操作时，用于提供一组合法的代表该部件相对于传感器的位置的输出；并且用于提供一组非法的代表编码器故障的信号；以及一个传感器输出解码器，用于接收传感器的输出，产生分别表示传感器的输出的合法状态和非法状态的信号。
2.如权利要求1的编码器，其中的每个传感器都是可操作的，以产生一个数字输出信号，安排多个传感器以确定数字组合形式的合法输出和非法输出。
3.如权利要求1或2的编码器，其中的解码器是可以操作的，以产生表示传感器的同时输出的合法状态或非法状态的信号。
4.如权利要求2或3的编码器，其中的解码器响应于相同数字电平的传感器输出，产生表示非法状态的信号。
5.如权利要求1或2的编码器，其中的解码器是可以操作的，从比较相继组的传感器输出导出代表合法状态或非法状态的信号。
6.如权利要求1-5中任何一个所述的编码器，其中对传感器进行安排，以使它们可受到部件转动的影响。
7.如权利要求6的编码器，其中的部件包括用于影响传感器输出的标记。
8.一种磁阻开关驱动系统，包括一个磁阻开关设备、一个如权利要求1-7中任何一个所述的编码器、以及一个按照编码器的合法输出组控制磁阻开关设备的控制器。
9.一种确定位置编码器是否正常操作的方法，该方法包括安排多个传感器，使它们能受到一个编码器部件的移动的影响，以产生一组输出；确定一组表示编码器正常操作的传感器合法输出；确定表示编码器不正常操作的传感器非法输出；以及确定该组输出是否合法。
10.如权利要求9的方法，其中的传感器的输出是数字信号，因此这种输出是一个数字的组合。
11.如权利要求10的方法，其中的这组非法输出包括相同数字电平的所有传感器输出。
12.如权利要求10或11的方法，其中的确定这组输出是否合法包括分析同时产生的这组输出。
13.如权利要求10的方法，其中的确定这组输出是否合法包括分析相继的输出组。
全文摘要
一种使用多个位置传感器的位置编码器的故障检测器。故障检测器接收来自多个位置传感器的位置信号。位置信号代表磁阻开关设备的转子位置，并且位置信号具有在位置编码器正常操作条件下产生的允许状态和允许的输出状态序列。如果多个传感器中的一个或几个失效或者位置编码器的旋转部件损坏，则来自位置传感器的位置信号中出现非法状态。此时，故障检测器产生故障信号。
文档编号G01D5/12GK1156244SQ96102968
公开日1997年8月6日 申请日期1996年3月28日 优先权日1996年3月28日
发明者戴维德·马克·苏格登 申请人:开关磁阻驱动有限公司