CN104246446A - 用于产生指示信号的磁性编码器 - Google Patents

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Abstract

一种具有高分辨率轨道和参考轨道的磁性编码器，该高分辨率轨道包括限定多个磁极接头的多个北极/南极对；该参考轨道包括限定北极/南极接头与南极/北极接头的北极/南极对，该北极/南极接头与所述高分辨率轨道的第一磁极接头对齐，且该南极/北极接头与所述高分辨率轨道的第二磁极接头对齐。所述高分辨率轨道仅有单个磁极接头被设置在所述高分辨率轨道的所述第一和第二磁极接头之间。

Description

用于产生指示信号的磁性编码器
背景技术
本发明涉及磁性编码器，且更具体地涉及用于产生指示信号的磁性编码器。
发明内容
在一个实施方式中，本发明提供具有高分辨率轨道和参考轨道的磁性编码器，该高分辨率轨道包括限定多个磁极接头的北极/南极对；该参考轨道包括限定北极/南极接头与南极/北极接头的北极/南极对，该北极/南极接头与所述高分辨率轨道的第一磁极接头对齐，且该南极/北极接头与所述高分辨率轨道的第二磁极接头对齐。所述高分辨率轨道的仅单个磁极接头被设置在所述高分辨率轨道的所述第一和第二磁极接头之间。
本发明还提供了一种磁性编码器，包括：高分辨率轨道，其包括限定多个磁极接头的多个北极/南极对；和参考轨道，其包括限定北极/南极接头与南极/北极接头的北极/南极对。所述高分辨率轨道的多个磁极接头包括连续的第一、第二和第三磁极接头。所述第一磁极接头与所述参考轨道的所述北极/南极接头对齐，所述第三磁极接头与所述参考轨道的南极/北极接头对齐，且所述第二磁极接头在所述第一和第三磁极接头之间。
本发明还提供了一种磁性编码器，包括：高分辨率轨道，其包括限定多个磁极接头的多个北极/南极对；和参考轨道，其包括至少一个北极/南极对。所述参考轨道的所述至少一个北极/南极对的一个磁极具有比另一个磁极更短的长度。所述编码器在与所述高分辨率轨道的选定磁极接头对应的选定数量的位置指示标志位置处检测信号，所述参考轨道的所述至少一个北极/南极对的较短磁极的长度尺寸设置成仅包括所述位置指示标志位置中的一个，以定义指示脉冲。
根据具体说明和附图，本发明的其它方面将更加明显。
附图说明
图1是应用本发明的圆形轨道磁性编码器的示意性表示。
图2是图1的编码器产生的信号的图形表示。
图3是应用本发明的线性轨道磁性编码器的图形表示。
图4是应用本发明的另一个圆形轨道磁性编码器的图形表示。
图5是应用本发明的另一个线性轨道磁性编码器的图形表示。
具体实施方式
在对本发明的任何实施方式进行具体地说明之前，应理解本发明不限于以下说明或者附图中示出的构件的具体结构和配置。本发明可包括其它实施方式，且可以多种方式实践和进行。
图1示出了本发明的磁性编码器10。编码器10包括具有多个北极/南极对18的高分辨率轨道14。该磁极对18限定了多个磁极接头，包括北极/南极接头22和北极/南极接头26。在所示的实施方式中，磁极对18都为相同的尺寸，但并不要求必须这样。磁极对18和所得到的磁极接头22、26的数量可与图1中所示的不同。
所示的编码器10还包括相对于高分辨率轨道14固定的参考轨道30，其包括限定单个北极/南极接头38和单个南极/北极接头42的仅一个北极/南极对34。该磁极对34包括较短的磁极和较长的磁极。该单个北极/南极对34的较短磁极(在所示的实施方式中为南极)具有与高分辨率轨道14的北极/南极对18中的一对的角跨度相等的角跨度(如，在所示的实施方式中为14.4度)。在这里和在所附权利要求中所使用的词“角跨度”指相对于中心点C测量的参考磁极或者磁极对的角长度或者长度尺寸。尽管所示的实施方式示出了磁极对34的南极比北极短(即，具有较短的角跨度)，在其它实施方式中，北极可以是磁极对34的较短极而南极可具有较长长度。此外，尽管所示的参考轨道30在高分辨率轨道14的径向内侧，然而应理解参考轨道30可以可选地设置在该高分辨率轨道14的径向外侧。此外，尽管所示的高分辨率轨道14和参考轨道30形成为同心的圆，然而在其它实施方式中，轨道14、30可形成为彼此平行的线性轨道(参见图3-相似的部件以相似的参考标记加上单引号(’)符号指示)。上述的相同关系和以下关于圆形轨道编码器10的进一步说明将被保留用于线性轨道编码器10’，只不过“角跨度”或者“角长度”被简单地转换为“线性长度”。“角长度”和“线性长度”二者最终定义磁极的长度尺寸。此外，当转换成线性轨道30’时，磁极对34’实施为嵌入在较大北极中的南极，使得一个磁极(图3中的南极)由另一个磁极围绕(图3中的南极两侧的北极)。
编码器10的轨道14、30尽管示出为彼此完全分离的，然而通常形成在单件可磁化的材料上。通过加工和已知技术将材料磁化形成轨道14、30而形成该分离的轨道14、30。
编码器10还包括设置在轨道14、30上方且从其间隔开的传感器芯片50。可以是一串或一列传感器(如，霍尔传感器)形式的高分辨率传感器54被设置在高分辨率轨道14上方。可以是一串或一列传感器(如，霍尔传感器)形式的参考传感器58被设置在参考轨道30上方。
编码器10根据传感器芯片50和轨道14、30之间的相对移动(如，同心轨道编码器10的旋转或者线性轨道编码器10’的平移)而输出信号(参见图2)。本发明的轨道配置提供了指示信号或脉冲的产生，其指示轨道14、30的参考或指示位置。例如，当轨道14、30被设置在旋转目标轮上以与该目标轮共同旋转时，单个指示位置可以指示要求的角度位置，例如上死点、下死点或者其它重要位置。
图2是编码器10产生的信号的图形表示。水平轴线表示轨道14、30的角度位置θ，而竖直轴线表示与芯片50上的各传感器54、58相关的电压V。线62表示来自高分辨率轨道14的信号(由高分辨率传感器54检测)，而线66表示来自参考轨道30的信号(如参考传感器58所探测)。图1和2被标有相应的位置指示标志P1、P2、P3、P4和P5，以有助于将轨道位置与所产生的信号相关联。
参看高分辨率轨道14所产生的信号62，可看见在各北极/南极接头22处的电压从正到负的改变，以及在各南极/北极接头26处从负到正的改变。在所示的配置，南极产生负电压读数，而北极产生正电压读数。在其它实施方式中，与极性相关的正和负电压可被反转。参看参考轨道30产生的信号66，可看见在北极/南极接头38处电压从正到负的改变，以及在南极/北极接头42处的从负到正的改变。
传感器54、58检测沿着高分辨率轨道14的各南极/北极接头26(在各位置指示标志P1、P2、P3、P4、P5等处)处的电压或电压交迭(voltagecrossovers)，并检测在位置指示标志P3处的指示信号或脉冲，由于该位置为在整个360度旋转范围上的仅有的参考信号66的电压小于高分辨率信号62的电压的位置指示标志位置。在其它实施方式中，位置指示标志可以是设置在每个磁极接头(22和26)处而不是仅在每隔一个磁极接头(22和26)处。传感器芯片50将在每个位置指示标志处或者高分辨率信号62的南极/北极接头26处的高分辨率信号62和参考信号66的电压值进行比较，以识别什么时候产生指示脉冲。在与极性相关的电压值反转的实施方式中，指示信号可以是在整个360度旋转范围中仅有的参考信号66高于高分辨率信号62的位置。换言之，来自参考轨道的信号66形成关于高分辨率轨道14的信号的单个非正常值或者异态，其可由电路检测为指示信号或脉冲。
更具体地，在各位置指示标志P1、P2、P3、P4和P5处，高分辨率轨道14限定与从负到正的电压交迭点(即，其中V＝0)相关的南极/北极接头26。类似地，在位置指示标志P1、P2、P3、P4和P5之间的各北极/南极接头22处，高分辨率轨道14与从正到负的电压交迭点相关。位置指示标志P1、P2、P4和P5都在参考轨道30的北极的角跨度范围内，与参考信号66的正电压值相关。仅有位置指示标志P3位于参考轨道30的单个南极的范围内，与参考信号66的负电压值相关联。仅在位置P3处，参考信号66的值小于在高分辨率信号62的电压交迭处的零位值。因此，芯片50在与位置指示标志P3一致的轨道14、30的相关位置处产生指示信号或脉冲。
高分辨率轨道14和参考轨道30的特定磁极对配置使得在位置指示标志P3处产生单个指示信号的能力是可能的。具体地，高分辨率轨道14包括第一、第二和第三连续的磁极接头，其分别以82、84和86指示(磁极接头82、84和86是高分辨率轨道14的多个磁极接头22、26中的三个)。第一磁极接头82与参考轨道30的北极/南极接头38对齐，第三磁极接头86与参考轨道30的南极/北极接头42对齐，且第二磁极接头84在第一和第三磁极接头82、86之间。如在这里和在所附权利要求中所使用的，术语“对齐”表示参考磁极接头在相对于所示的同心轨道配置的中心点C的相同角位置处。在可选的实施方式中，轨道形成为彼此平行的线性轨道(参见图3)，术语“对齐”表示参考磁极接头彼此共线。如果参考轨道30的北极为较短的磁极，该关系也成立。
为了以另一种方式描述以上关系，参考轨道30的单个北极/南极接头38与高分辨率轨道14的多个磁极接头22、26的第一磁极接头82对齐，且参考轨道30的单个南极/北极接头42与高分辨率轨道14的多个磁极接头22、26的第二磁极接头86对齐。高分辨率轨道14仅有单个磁极接头84被设置在高分辨率轨道14的多个磁极接头22、26的磁极接头82和86之间。因此，所有的三个磁极接头82、84和86与参考轨道14的较短磁极对齐(即，在所示的实施方式中的南极)。以另一种方式来说，高分辨率轨道14仅有单个磁极接头84被完全设置在参考轨道30的北极/南极接头38和南极/北极接头42之间的角跨度中。高分辨率轨道14没有其它磁极接头被设置在参考轨道30的单个磁极对34的南极(即，较短的磁极)所限定的角跨度中。单个磁极接头84与位置指示标志P3重合且定义指示脉冲。
本发明的所示出的编码器10提供了指示脉冲，其为现有技术的编码器所产生的指示脉冲的两倍宽(即，具有波长的两倍)。编码器10形成较宽的指示脉冲意味着可在传感器54、58以及轨道14、30之间使用较大的空气间隙。这是由于较大的指示脉冲产生的磁场从轨道14、30朝向传感器芯片50延伸得比较窄的指示脉冲产生的磁场更远。
当轨道14、30可彼此间隔开且在传感器芯片50上的传感器54、58也可彼此间隔开时，使得参考轨道30的单个北极/南极对34不在产生的信号之间引起干扰，编码器10的轨道配置工作良好。该轨道配置还相对于其它的具有用于产生指示信号的更小和更复杂的磁极接头配置的编码器被简化。这有助于制造编码器10，允许使用较大的工具。
以上讨论大体说明了图1中所示的编码器10，然而本领域技术人员应理解其它实施方式和配置也落入本发明的范围和宽度内。例如，尽管图2中所示的指示脉冲是高分辨率信号62的波长的两倍，然而应理解指示脉冲可些许更窄或更宽而仍提供所要求的脉冲宽度。具体地，为了使该指示脉冲更窄，参考轨道30的所示单个磁极对34的南极的角跨度将被缩短(或者可选地高分辨率轨道14的磁极对18的角跨度可被延长)，使得磁极接头82和86中的一个或者该二者不再与参考轨道30的相应磁极接头38、42对齐。只要与位置指示标志P3对应的磁极接头84保持在单个磁极对34的南极(即，较短磁极)的角跨度内且成角度地位于磁极接头38和42之间，则由于参考信号的电压仍将小于在磁极接头84处的高分辨率信号的零电压，所以仍然在位置指示标志P3处产生指示信号。
类似地，为了增宽指示脉冲，参考轨道30的所示单个磁极对34的南极的角跨度可被增长(或者可选地高分辨率轨道14的磁极对18的角跨度可被缩短)，只要参考信号电压仅在位置指示标志P3处小于高分辨率信号即可。换言之，指示脉冲可被增宽至刚刚在参考信号电压在位置指示标志P2和P4中的一个或二者处落至高分辨率电压之前处。在另一个实施方式中，应理解可对电路进行修改以通过检测到参考信号小于高分辨率信号的两个或三个连续位置指示标志(如，P2、P3和P4)而识别指示脉冲。
在落入本发明的范围内的另一个修改中，编码器可包括2个或更多的指示脉冲，通常绕编码器的一周等距隔开。以上所示和所述的关于仅使用参考轨道30的单个北极/南极对34的原理对于在参考轨道上有两个、三个、四个或者任何期望数量的北极/南极对同样适用。在一个用于无刷直流电机的应用中，编码器可通过在参考轨道30上结合四个北极/南极对而具有四个指示脉冲。图4示出了一个实施方式，其中相似的部件以相同的参考标记加上双引导(”)符号表示。在高分辨率轨道14”的磁极对18”和磁极接头22”、26”以及参考轨道上的各磁极对的磁极接头38”和42”之间的相同的关系在该修改后的编码器10”的四个角度位置中重复，以提供四个指示脉冲。对此，在参考轨道30”上的各北极/南极对34”具有一个磁极(如，南极)，其角跨度比磁极对34”的另一个磁极(如，北极)短(即，较短长度)，且较短磁极的角跨度仅包括高分辨率轨道14的一个单独位置指示标志或者检测位置。
图5示出了与图4的编码器10”相对应的线性轨道编码器实施方式10”’。相似的部件以相同的参考标记加上三引号(”’)符号表示。
应理解，尽管所示的实施方式示出了北极和南极的一种可能配置，然而所有的北极可被改为南极且所有的南极可被改为北极且不偏离本发明的范围。如在这里和所附的权利要求中所使用的，对北极/南极对的任何提及不要求任何具体的方位(即，哪个磁极是该对中的第一/第二或者左/右)。此外，如在这里和所附权利要求中所使用的，对给定北极/南极对的北极/南极接头以及南极/北极接头的任何提及仅指由该磁极对限定的两个相邻磁极接头，而不要求磁极对的任何具体的方位(即，哪个磁极是在该对中的第一/第二或者左/右)。
在所附权利要求中提出了本发明的多个特征和优点。

Claims (22)

1.一种磁性编码器，包括：
高分辨率轨道，其包括限定多个磁极接头的多个北极/南极对；和
参考轨道，其包括限定北极/南极接头与南极/北极接头的北极/南极对，该北极/南极接头与所述高分辨率轨道的第一磁极接头对齐，且该南极/北极接头与所述高分辨率轨道的第二磁极接头对齐；
其中所述高分辨率轨道仅有单个磁极接头被设置在所述高分辨率轨道的所述第一和第二磁极接头之间。
2.如权利要求1所述的磁性编码器，其中所述编码器在所述高分辨率轨道的所述第一和第二磁极接头之间设置的所述单个磁极接头的位置处产生的信号定义指示脉冲。
3.根据权利要求1所述的磁性编码器，其中所述参考轨道的所述北极/南极对中的一个磁极的长度比另一个磁极短。
4.根据权利要求3所述的磁性编码器，其中所述参考轨道是圆形的，且其中所述参考轨道上各磁极的长度限定一角跨度。
5.根据权利要求3所述的磁性编码器，其中所述参考轨道是线性的，且其中所述参考轨道上各磁极的长度限定一线性长度。
6.根据权利要求3所述的磁性编码器，其中所述编码器检测在与所述高分辨率轨道的选定磁极接头对应的选定数量的位置指示标志位置处检测信号，且其中所述参考轨道的北极/南极对的较短磁极的长度尺寸被设置成仅包括所述位置指示标志位置中的一个单独位置，从而定义指示脉冲。
7.根据权利要求1所述的磁性编码器，其中所述参考轨道的北极/南极对是该参考轨道上仅有的北极/南极对，其中与所述高分辨率轨道的第一磁极接头对齐的所述北极/南极接头是该参考轨道上仅有的北极/南极接头，且其中与所述高分辨率轨道的第二磁极接头对齐的所述南极/北极接头是所述参考轨道上的仅有的南极/北极接头。
8.根据权利要求1所述的磁性编码器，其中所述参考轨道包括两个或更多北极/南极对，各北极/南极对具有较短磁极和较长磁极。
9.根据权利要求1所述的磁性编码器，其中所述参考轨道包括四个北极/南极对，各北极/南极对具有较短磁极和较长磁极。
10.一种磁性编码器，包括：
高分辨率轨道，其包括限定多个磁极接头的多个北极/南极对；和
参考轨道，其包括限定北极/南极接头与南极/北极接头的北极/南极对，
其中所述高分辨率轨道的所述多个磁极接头包括连续的第一、第二和第三磁极接头；且
其中所述第一磁极接头与所述参考轨道的所述北极/南极接头对齐，所述第三磁极接头与所述参考轨道的所述南极/北极接头对齐，且所述第二磁极接头在所述第一和第三磁极接头之间。
11.根据权利要求10所述的磁性编码器，其中所述编码器在所述第二磁极接头处产生的信号定义指示脉冲。
12.根据权利要求10所述的磁性编码器，其中所述参考轨道的所述北极/南极对中的一个磁极的长度比另一个磁极短，且其中所述连续的第一、第二和第三磁极接头与所述参考轨道的较短磁极对齐。
13.根据权利要求12所述的磁性编码器，其中所述参考轨道是圆形的，且其中所述参考轨道上各磁极的长度限定一角跨度。
14.根据权利要求12所述的磁性编码器，其中所述参考轨道是线性的，且其中所述参考轨道上各磁极的长度限定一线性长度。
15.根据权利要求10所述的磁性编码器，其中所述参考轨道上的所述北极/南极对是该参考轨道上仅有的北极/南极对。
16.根据权利要求10所述的磁性编码器，其中所述参考轨道上的所述北极/南极对是所述参考轨道上的两个或更多北极/南极对中的一个。
17.一种磁性编码器，包括：
高分辨率轨道，其包括限定多个磁极接头的多个北极/南极对；和
参考轨道，其包括至少一个北极/南极对，所述参考轨道的所述至少一个北极/南极对中的一个磁极的长度比另一个磁极短；
其中所述编码器在与所述高分辨率轨道的选定磁极接头对应的选定数量的位置指示标志位置处检测信号；且
其中所述参考轨道的所述至少一个北极/南极对的较短磁极的长度尺寸被设置成仅包括所述位置指示标志位置中的一个单独位置，从而定义指示脉冲。
18.根据权利要求17所述的磁性编码器，
其中所述高分辨率轨道的所述多个磁极接头包括连续的第一、第二和第三磁极接头；
其中所述参考轨道的所述至少一个北极/南极对限定北极/南极接头和南极/北极接头；且
其中所述第一磁极接头与所述参考轨道的所述北极/南极接头对齐，所述第三磁极接头与所述参考轨道的所述南极/北极接头对齐，且所述第二磁极接头位于所述第一和第三磁极接头之间且与定义所述指示信号的所述位置指示标志位置一致。
19.根据权利要求17所述的磁性编码器，其中所述参考轨道是圆形的，且其中所述参考轨道上各磁极的长度限定一角跨度。
20.根据权利要求17所述的磁性编码器，其中所述参考轨道是线性的，且其中所述参考轨道上各磁极的长度限定一线性长度。
21.根据权利要求17所述的磁性编码器，其中所述参考轨道包括两个或更多北极/南极对，各北极/南极对具有较短的磁极，其尺寸被设置成仅包括所述位置指示标志位置中的一个单独位置，从而定义指示脉冲。
22.根据权利要求17所述的磁性编码器，其中所述参考轨道包括四个北极/南极对，各北极/南极对具有较短的磁极，其尺寸被设置成仅包括所述位置指示标志位置中的一个单独位置，从而定义指示脉冲。
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