偽絕對位置感測算法
【專利說明】
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2012年9月21日提交的序列號為61/704,057的美國臨時申請的權 益，該申請的全部內(nèi)容通過引用的方式在此納入。
技術領域
[0003] 本發(fā)明涉及位置感測算法，其包括使用旋轉(zhuǎn)位置傳感器計算機械系統(tǒng)的位置輸出 的位置感測算法。
【背景技術】
[0004] 已知使用旋轉(zhuǎn)可變差動變壓器（RVDT)測量軸的角位移。一般而言，RVDT是電力 變壓器，其包括在所容納的定子組件內(nèi)被支撐以進行旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。RVDT提供與軸的角位移 呈線性比例的輸出電壓。但是，當被用于確定機電致動器（EM)的絕對位置時，RVDT系統(tǒng) 通常使用與EM的輸出軸相關的消隙齒輪傳動系確定絕對位置。RVDT系統(tǒng)可能還需要用于 激勵和位置解碼的驅(qū)動電子裝置。進一步地，RVDT系統(tǒng)可能相對復雜、沉重且昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 系統(tǒng)實施例具有位置感測算法，此算法采用旋轉(zhuǎn)位置傳感器確定機電致動器 (EM)行程（stroke)的位置。所述系統(tǒng)可包括被支撐以圍繞第一軸旋轉(zhuǎn)的第一旋轉(zhuǎn)組件和 被支撐以圍繞第二軸旋轉(zhuǎn)的第二旋轉(zhuǎn)組件。第一旋轉(zhuǎn)編碼器可被配置為基于所述第一旋轉(zhuǎn) 組件的角位置產(chǎn)生輸出；并且第二旋轉(zhuǎn)編碼器可被配置為基于所述第二旋轉(zhuǎn)組件的角位置 產(chǎn)生輸出。所述第一和第二旋轉(zhuǎn)組件可定義這樣的比：該比使得所述第一和第二旋轉(zhuǎn)編碼 器針對所述EM的整個行程產(chǎn)生唯一的輸出組合。解碼器可被設置為包括位置感測算法， 此算法基于第一與第二旋轉(zhuǎn)組件之間的比、以及所述第一和第二編碼器的輸出確定EM行 程的位置。
[0006] 當結合附圖閱讀下面對實施例的詳細描述時，本發(fā)明的各個方面對于本領域的技 術人員來說將變得顯而易見。
【附圖說明】
[0007] 現(xiàn)在參考附圖，借助實例描述本發(fā)明的實施例，其中：
[0008] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有齒輪傳動系的機電致動器（EM)的示意圖。
【具體實施方式】
[0009] 根據(jù)教導的一個方面的偽絕對位置感測算法使用兩個旋轉(zhuǎn)位置傳感器，利用兩個 或更多個旋轉(zhuǎn)軸之間的機械比計算機械系統(tǒng)的位置輸出。在一個實例中，此算法使用齒輪 比（gear ratio)關系計算機電系統(tǒng)的最終輸出級的位置，該機電系統(tǒng)可以是任何使用齒輪 傳動系以將旋轉(zhuǎn)輸入轉(zhuǎn)換為機械輸出（例如，線性輸出、旋轉(zhuǎn)輸出等）的系統(tǒng)。一旦系統(tǒng)已 被校準，并且只要各傳感器的機械關系保持恒定，此算法便可計算當前位置。
[0010] 圖1示出一個可能的機電致動器（EM)系統(tǒng)，一般地由10指示。EM系統(tǒng)10可具 有齒輪傳動系，該齒輪傳動系至少具有第一齒輪、感測第一齒輪的角位置的第一絕對旋轉(zhuǎn) 編碼器、第二齒輪、以及感測第二齒輪的角位置的第二絕對旋轉(zhuǎn)編碼器。圖中示出的EM齒 輪傳動系10僅用于示例說明的目的，本領域的普通技術人員將理解，在不偏離本教導的范 圍的情況下，此處描述的感測算法可用于任何具有齒輪傳動系、并且更廣泛地具有齒輪比 的系統(tǒng)。
[0011] 第一和第二編碼器可被設置在EMA系統(tǒng)10中的任意位置處。在一個實例中，第一 編碼器可被安裝在EM系統(tǒng)10的電動機小齒輪上，第二編碼器可被安裝在EM系統(tǒng)10的 輸出級的附近。第一和第二編碼器的輸入分別依賴于第一和第二齒輪的相對于第一和第二 齒輪的旋轉(zhuǎn)軸的角位置。第一和第二編碼器產(chǎn)生與第一和第二齒輪的位置對應的第一和第 二輸出，并且將這些輸出發(fā)送到解碼器。需要指出在實際中，第一和第二齒輪幾乎不具有零 分度（zero index)或正時標記（timing mark)，并且非常不可能的是，編碼器彼此完全對齊 或者與齒輪傳動系完全對齊，因此可能存在一些初始誤差。這樣，作為校準步驟，此算法會 產(chǎn)生偏移值以使在初始的開始位置處的編碼器的位置為零，并且將該偏移值存儲在EM系 統(tǒng)10中。之后，只要編碼器不更改相對于第一和第二齒輪的位置，此算法就可確定EM輸 出的絕對值。
[0012] 為了確定EM齒輪系統(tǒng)10中的行程（stroke)的絕對角位置，來自旋轉(zhuǎn)編碼器的 第一和第二輸出創(chuàng)建EM系統(tǒng)10的整個行程的唯一組合?；趦蓚€編碼器的角位置之間 的數(shù)學關系、以及第一與第二齒輪之間的齒輪比，解碼器產(chǎn)生表示EM系統(tǒng)10的行程位置 的輸出。來自旋轉(zhuǎn)編碼器的唯一組合確保解碼器不會產(chǎn)生錯誤的位置輸出。
[0013] 產(chǎn)生唯一的編碼器輸出組合依賴于第一與第二齒輪的機械特征。如本領域中公知 的那樣，對于給定的齒輪比，較小的齒輪將針對較大齒輪的每次完全旋轉(zhuǎn)而逐量更改其角 位置。在教導的一個方面，產(chǎn)生角位置和輸出的唯一組合涉及確保第一和第二齒輪包括具 有互質(zhì)采樣（relatively prime decimation)的非整數(shù)齒輪比。更具體地說，在齒輪比方 面應該具有足夠的采樣（decimation)，以便在EM系統(tǒng)10的行程期間的任何時間，針對給 定齒輪比，在不重復角位置組合的情況下，維持全部所需的齒輪旋轉(zhuǎn)。齒輪比可以是被表示 為m/n的有理數(shù)，其中m和m均為互質(zhì)數(shù)。例如，對于齒輪比157:1，在重復角位置組合之 前，齒輪軸旋轉(zhuǎn)157次。如果需要少于157次的全部齒輪軸旋轉(zhuǎn)來完成整個EM行程，這也 是可接受的。但是，如果EM系統(tǒng)10的行程中需要更多次的齒輪軸旋轉(zhuǎn)，則將齒輪比進行 更改以適應于此。例如，齒輪比157. 2:1在786次旋轉(zhuǎn)之后重復（因為1572可被2整除）。 但是，齒輪比157. 1:1在角位置組合重復之前需要1571次齒輪軸旋轉(zhuǎn)。
[0014] 現(xiàn)在借助兩個理論描述此算法：角理論和數(shù)字理論。在角理論中，此算法在整個 EM行程期間保持以下關系：
[0015] Θ _1 = mod (x_l, I) 360
[0016] θ _2 = mod (x_2,1) 360
[0017]
【主權項】
1. 一種具有輸出級和旋轉(zhuǎn)組件的系統(tǒng)，包括： 第一旋轉(zhuǎn)組件和第二旋轉(zhuǎn)組件； 第一旋轉(zhuǎn)編碼器，其被配置為基于所述第一旋轉(zhuǎn)組件的角位置產(chǎn)生第一輸出； 第二旋轉(zhuǎn)編碼器，其被配置為基于所述第二旋轉(zhuǎn)組件的角位置產(chǎn)生第二輸出；以及 解碼器，其包括位置感測算法，此算法被配置為使用所述第一和第二輸出確定最終輸 出級的位置， 其中所述第一與所述第二旋轉(zhuǎn)組件之間的比是具有互質(zhì)采樣的非整數(shù)比，所述第二旋 轉(zhuǎn)組件的角位置針對所述第一旋轉(zhuǎn)組件的每次完全旋轉(zhuǎn)而逐量更改，并且所述第一和第二 輸出的組合在所述輸出級的所述旋轉(zhuǎn)組件的選定旋轉(zhuǎn)次數(shù)期間是唯一的。
2. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述比滿足方程式：
其中yl(gr)是當所述比的數(shù)值次的旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)時的傳感器輸出，nl是所述第一編碼器 的位數(shù)，r2是所述第二編碼器的位數(shù)。
3. 根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述比是m/n，并且m和η互質(zhì)。
4. 根據(jù)權利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述第一和第二旋轉(zhuǎn)組件包括齒輪，所述第一旋 轉(zhuǎn)組件的齒數(shù)大于這些組件在整個機械行程的旋轉(zhuǎn)次數(shù)。
5. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中在機電致動器中，所述第一旋轉(zhuǎn)組件包括電動機 小齒輪，所述第二旋轉(zhuǎn)組件包括輸出齒輪。
6. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中在機電致動器中，所述第一旋轉(zhuǎn)組件被設置在第 三齒輪路徑中，所述第二旋轉(zhuǎn)組件被設置在第四齒輪路徑中。
7. 根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述第三齒輪路徑具有66/19的齒輪比，所述第四 齒輪路徑具有60/19的齒輪比。
8. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中在機電致動器中，所述第一旋轉(zhuǎn)組件被設置在第 二齒輪路徑中，所述第二旋轉(zhuǎn)組件被設置在第四齒輪路徑中。
9. 根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述第二齒輪路徑具有63/15的齒輪比，所述第四 齒輪路徑具有60/19的齒輪比。
10. -種用于確定機電致動器（EM)行程的位置的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括： 被支撐以圍繞第一軸旋轉(zhuǎn)的第一旋轉(zhuǎn)組件，和被支撐以圍繞第二軸旋轉(zhuǎn)的第二旋轉(zhuǎn)組 件； 第一旋轉(zhuǎn)編碼器，其被配置為基于所述第一旋轉(zhuǎn)組件的角位置產(chǎn)生輸出；以及第二旋 轉(zhuǎn)編碼器，其被配置為基于所述第二旋轉(zhuǎn)組件的角位置產(chǎn)生輸出，其中所述第一和第二旋 轉(zhuǎn)組件定義這樣的比：該比使得所述第一和第二旋轉(zhuǎn)編碼器針對所述EM的整個行程產(chǎn)生 唯一的輸出組合；以及 解碼器，其具有位置感測算法，此算法被配置為基于所述第一與第二旋轉(zhuǎn)組件之間的 比、以及所述第一和第二編碼器的輸出確定所述EM行程的位置。
11. 根據(jù)權利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述第一和所述第二旋轉(zhuǎn)組件之間的比是具有 互質(zhì)采樣的非整數(shù)比。
12. 根據(jù)權利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述第二旋轉(zhuǎn)組件的角位置針對所述第一旋轉(zhuǎn) 組件的每次完全全旋轉(zhuǎn)而逐量更改。
13. 根據(jù)權利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述比滿足方程式：
其中yl(gr)是當所述比的數(shù)值的旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)時的傳感器輸出，nl是所述第一編碼器的 位數(shù)，r2是所述第二編碼器的位數(shù)。
14. 根據(jù)權利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述比是m/n，并且m和η互質(zhì)。
15. 根據(jù)權利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述第一和第二旋轉(zhuǎn)組件為齒輪，所述第一旋 轉(zhuǎn)組件的齒數(shù)大于這些組件在所述EM的整個機械行程的旋轉(zhuǎn)次數(shù)。
16. 根據(jù)權利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述第一旋轉(zhuǎn)組件是電動機小齒輪，所述第二 旋轉(zhuǎn)組件是所述EM的輸出齒輪。
17. 根據(jù)權利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述第一旋轉(zhuǎn)組件被設置在所述EM的第三齒 輪路徑中，所述第二旋轉(zhuǎn)組件被設置在所述EM的第四齒輪路徑中。
18. 根據(jù)權利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述第三齒輪路徑具有66/19的齒輪比，所述第 四齒輪路徑具有60/19的齒輪比。
19. 根據(jù)權利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述第一旋轉(zhuǎn)組件被設置在所述EM的第二齒 輪路徑中，所述第二旋轉(zhuǎn)組件被設置在所述EM的第四齒輪路徑中。
20. 根據(jù)權利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述第二齒輪路徑具有63/15的齒輪比，所述第 四齒輪路徑具有60/19的齒輪比。
【專利摘要】一種具有用于確定機電致動器(EMA)行程的位置的位置感測算法的系統(tǒng)包括被支撐以圍繞第一軸旋轉(zhuǎn)的第一旋轉(zhuǎn)組件和被支撐以圍繞第二軸旋轉(zhuǎn)的第二旋轉(zhuǎn)組件。第一旋轉(zhuǎn)編碼器可被配置為基于第一旋轉(zhuǎn)組件的角位置產(chǎn)生輸出；并且第二旋轉(zhuǎn)編碼器可被配置為基于第二旋轉(zhuǎn)組件的角位置產(chǎn)生輸出。第一和第二旋轉(zhuǎn)組件可定義這樣的比：該比使得第一和第二旋轉(zhuǎn)編碼器針對EMA的整個行程產(chǎn)生唯一的輸出組合。解碼器可被設置為具有位置感測算法，此算法基于第一與第二旋轉(zhuǎn)組件之間的比、以及第一和第二編碼器的輸出確定EMA行程的位置。
【IPC分類】G01D5-04
【公開號】CN104641200
【申請?zhí)枴緾N201380048819
【發(fā)明人】D·P·多爾蒂, J·M·懷特, A·湯普森
【申請人】伊頓公司
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2013年3月14日
【公告號】EP2898295A1, US20150211892, WO2014046728A1