具有单轨道磁代码带的绝对位置检测系统
技术领域
本发明涉及一种用于基于磁代码对象(例如，磁代码条或经译码磁带)的绝对测量位置检测系统的传感器布置和对应的位置检测系统。
背景技术
从DE 195 186 64 C1已知用于确定经物理线性译码位序列的相对位置或移动以及具有用于检测对应物理参数的传感器元件布置的对应传感器头。传感器头的位序列的每个位包括两个传感器元件。
此外，一方面，本申请人开发并出售具有用于检测目标对象(例如，磁代码条)精确位置的增量位置传感器的磁带位置检测系统，其中检测磁场的两个传感器元件平行于磁代码条布置成一行。这些传感器元件之间的距离对应于代码条的磁极间距的四分之一。借助于内插器来解析或内插相应磁场矢量的分量的SIN/COS位置依赖性。
另一方面，本申请人还开发并出售具有绝对地测量目标对象(例如，磁代码条)位置的位置传感器的磁带位置检测系统，其中代码条被划分成两个平行轨道。一个轨道允许在代码条的一个磁周期内以相对高分辨率的位置确定进行增量测量。另一方面，另一个轨道携载最大长度编码为非重复的常规12位或14位序列的绝对定位代码。
发明内容
本发明基于这样的认识，即基于磁代码条的绝对测量磁位置传感器被设计为仅用于单个磁模式(例如仅特定极宽度的模式)。因此，这些系统不容易适用于位长度一致的不同磁代码对象。因此，本发明的目的首先在于详细说明一种可与在每种情况下具有不同磁模式的磁代码对象一起使用的此处所涉及的传感器布置。
绝对代码条的上述平行轨道导致对相邻磁场的磁干扰，这导致测量分辨率显著降低并且代码条与磁传感器元件之间的可能读取距离显著受限。因此，本发明的目的还在于详细说明一种实现更大读取距离的此处所涉及的传感器布置。
上述固有已知的绝对传感器对传感器元件相对于代码条的未对准非常敏感。因此，本发明的目的还在于详细说明一种对于此类未对准尽可能容错的此处所涉及的传感器布置。
例如由于机械磨损或由于磁化中的变化(诸如非期望的单独磁极的磁性逆转)而在代码条中发生的错误导致测量分辨率降低或甚至使整个位置检测系统不能使用。因此，本发明的目的还在于详细说明一种也可适用于相应经磁编码的测量对象中的此类变化的此处所涉及的传感器布置。
在具有圆形弯曲代码条的传感器应用中，必须始终确保相应代码条的周长是相应位宽度的整数倍。因此，本发明的目的还在于详细说明一种与这种代码条的任何直径兼容的此处所涉及的传感器布置。
根据第一方面，特别地为了解决上述目的，本发明提出一种绝对测量线性位置传感器系统，其具有多个磁场传感器的基本上线性的布置并且具有单个和单轨道绝对测量磁代码条或带，所述磁代码条或带所具有的在所述代码条上编码的二进制模式或位模式的位长度一致。
根据本发明的另一个方面，所述磁场传感器可形成在至少两个空间方向上进行磁性检测的传感器元件的高空间分辨率布置。
根据本发明的另一个方面，所述磁场传感器可以基本上线性的方式以在每种情况下彼此间变化的间距布置。
在本发明的上下文中，所谓的“磁代码”表示磁位序列，其中位长度基本上相等的纵向布置区对应于位序列的位，并且每个区的磁化方向由对应位的值确定。位长度基本上相等的此类区在本文中称为“磁位”。区本身是基本上磁均匀极化的，其中极化方向垂直于代码带的表面，并且其中区的极化具有基本上相等的强度，但分别针对二进制‘0’和‘1’值处于相反的方向。
在本发明的上下文中，“位图”是存储在传感器装置的存储器中以表示与代码带的所述磁位的相应位序列相对应的二进制值的位序列。
根据本发明的另一个方面，所述位置检测系统在其长度范围内(即以相应地检测到的位序列的方式)标识所述磁位的值，并且相对于传感器布置的坐标系确定沿着代码带的纵轴的每个0->1和1->0位转变的位置。所述位转变的位置可以优于磁位的1/4位长度的精确度发生。
根据又另一个方面，所述位置检测系统相对于传感器布置的坐标系确定相应代码对象(例如拉伸的或笔直的或弯曲的代码带)的磁位的初始纵向位置。精确度从而可能优于磁位的1/4宽度。
根据又另一个方面，所述位置检测系统在所述位图中定位在代码对象处检测到的位序列，并且据此作为磁位宽度与位图内观察到的序列的相应第一个位的序列号的数学乘积来计算传感器布置沿着代码对象的大致绝对位置。
根据又另一个方面，所述位置检测系统根据在代码对象处检测到的磁位序列作为大致绝对位置与传感器布置的坐标系中观察到的位序列的第一个位的起始位置之和来计算绝对位置。
根据又另一个方面，所述位置检测系统具有学习模式和正常模式，其中所述学习模式可在位置检测系统的正常模式下激活。
根据本发明的传感器布置或对应的位置检测系统特别地具有由此产生的以下技术效果或优点：
-传感器布置或位置检测系统可与具有本文所述优点的多个绝对以及增量磁代码条或带一起使用；
-电子测量或评估系统处理传感器数据的复杂性相对较低实现显著的成本节约；
-尽管针对外部条件或影响测量精确度损失很小，传感器布置和位置检测系统仍相对可靠并且非常稳健；
-传感器布置实现自适应传感器和所谓的“信息物理”长度或位置测量系统的开发；
-位置检测系统由于根据本发明提出的测量方法而能够学习；
-传感器布置实现此处所涉及的位置检测系统的完全自主操作。
附图说明
图1以示意性等距描绘图示出根据本发明的位置检测系统；
图2a、图2b示意性地示出此处所涉及的磁代码带或条的两种可能设计；
图3示出当借助于根据本发明的传感器布置沿着图2a所示的代码带移动时磁场矢量中的典型变化，在此基础上进行相位评估；
图4a、图4b示出用根据本发明的传感器布置获得的图3所示的相变的典型测量曲线，即从这些测量曲线识别的对应位置数据(4a)和位模式(4b)；
图5a、图5b示出根据本发明的在此处所涉及的代码带上测量的典型位序列(5a)的基础上和在相应地学习的位模式(5b)的基础上进行的学习方法。
具体实施方式
图1所示的传感器布置(或传感器头)100和此处所示的磁目标对象(在本发明的情况下为拉伸磁代码带105)一起形成线性绝对测量位置检测系统。
磁代码带105具有多个磁极，其中极方向向上107或极方向向下108。这些不同极在x方向上的线性布置表示对磁代码带105的编码。
传感器布置或传感器头100具有多个(在本发明的示例性实施方案中为十八(18)个)磁场传感器元件110，所述磁场传感器元件110如箭头125所指示在x方向上不规则地间隔开。传感器头100还包括测量单元与数字信号处理单元(DSP单元)115和数字通信接口120。
另外，标记了传感器布置100的坐标系130的轴相对于本发明的示例性实施方案中所提供的磁代码带105的典型空间布置。
在本发明的示例性实施方案中布置在传感器布置或传感器头100上的测量单元/DSP单元115检测和处理来自磁场传感器元件110的原始信号并经由数字通信接口120与外部装置(此处未示出)通信，即用于传输传感器数据、参数数据和诊断数据。在本发明的示例性实施方案中，磁场传感器元件110被设计为在两个轴上是磁敏的，以便能够执行对测量信号的相位评估，如下面所提及和更详细描述的。
磁场传感器元件110特别地具有以下技术性能或特征：
-其被设计为基本上相等；
-其在传感器元件沿着磁代码对象的移动方向上布置；
-取决于代码对象的空间配置或要检测的相应目标对象的移动轨迹，其沿着直线或沿着弯曲轨迹布置；
-其被布置成在单独传感器元件之间具有基本上恒定的距离或在单独传感器元件之间具有不同或变化的距离，如图1所示；
-其各自具有用于检测由磁目标对象生成的磁场的至少两个敏感轴。因此，敏感轴横跨基本上与磁场传感器元件的布置和将磁场传感器元件的布置和相应磁目标对象的中心连接起来的线两者重合的平面。取决于目标对象的类型，所述中心是磁代码带的中心线或离散磁体的中心。
然而，本文所提出的传感器布置也可应用于仅在单个轴上进行磁性检测的传感器元件。传感器布置也可(任选地)仍然具有基本上垂直于前两个轴定向的第三敏感轴。
特别地，信号处理单元115具有以下技术性能或特征：
-其具有可编程部件(例如微控制器、FPGA或类似者或此类部件的组合)以及操作存储器(例如尽可能快的RAM)和可重写的非易失性存储器(例如FLASH、FRAM或类似者)；
-其循环地读出来自磁场传感器元件的信号；
-其以自调节方式将所感测的信号转换成一系列规则传感器信号，所述自调节方式可以说是例如在相对于传感器布置的坐标系对整流信号进行空间旋转的基础上通过借助于背景校正和借助于增益补偿来消除传感器布置的磁场传感器元件之间的微小感测差异；
-其基于所检测的传感器信号来确定传感器布置或传感器头相对于磁目标对象的相对位置；
-其为位置检测系统的安装、维护和正常操作提供诊断信息和工具；
-其能够经由数字接口与外部装置双向通信。
图2a和图2b示意性地示出此处所涉及的位置检测系统的两个示例性磁代码带(或磁代码条)。
图2a所示的绝对代码带仅具有单个轨道200，所述单个轨道200具有位长度一致的绝对代码。绝对代码由具有极方向(参见图1)向上205以及具有极方向向下210的极的线性布置组成。因此，所示的译码既包括被不同极性的极包围的单个极207，也包括多个极，即相同极性的多个连接极205、210。
相比之下，图2b所示的代码带(其也适用于根据本发明的传感器布置或对应的位置检测系统)具有一致的递增位长度代码215和相对短的代码段220两者或所具有的位代码在每种情况下位长度同样一致的对应代码目标对象。
根据图2a和图2b，根据本发明，在每种情况下仅需要单个绝对代码轨道200、220。所述单个绝对代码轨道相对于磁代码条具有各种优点。首先，其与现有技术相比降低了制造成本并且还降低了总运营成本。另外，安装更简单，并且组装不精确性的容差更大。
图3示出当通过根据本发明的传感器布置沿着图2a和图2b所示的代码条在x方向300上移动时产生的磁场矢量。图中所包括的点305指示扫描的相对位置。此处还示出的线310在每种情况下在磁感应期间出现的场矢量的方向上对准，对应于图下面指示的可能相位值320。线的长度已归一化至所存在的绝对场值的最大值。
在图的下部绘制的阶梯形线315对应于由扫描产生的磁代码。磁感应矢量的角度相对于x轴来测量。在下文中，此角度称为磁感应矢量的相位角或相位。
在传感器元件距相应代码带的任何距离处(即在图1所示的竖直z方向上)，其中此距离不应大于大约磁代码位的纵向尺寸，当传感器元件从左向右(即在本发明的表示中为顺时针)移动时，磁感应矢量在负方向上旋转。在具有交替(位)极性的代码位边界上方，场基本上水平。然而，在较大距离处，由于单独磁代码位的磁场分布变宽，某些位很难或无法检测或测量(参见顶行中所包含的位)。
图4a示出在每种情况下检测的代码位处的相变的典型测量曲线。此处，弯曲线400对应于磁感应矢量沿着代码带上的(水平)位置的相位进展，并且阶梯形线405对应于所检测磁代码位的对应值。
如果传感器布置或传感器头在相应目标对象(例如磁代码带、二极磁体等)上从左向右移动，则磁感应矢量在负方向(即在本发明的情况下为顺时针)上旋转。现在，相位进展400具有与磁代码带的结构相对应的特性特征。平台形相位进程区域410对应于较长的磁均匀部段。然而，在不同极性的极或极区域之间的磁转变415处，相应代码位被反转。因此，有可能借助于“反向分析”确定在每种情况下存在的磁位序列。
在图4b中，在所示图的上部描绘代码带位模式420，其中425和430表示由传感器检测的对应规则(和已整流)信号的相应x分量和z分量。在图的中间描绘检测到的二进制模式435。此处，点440对应于检测到的位，并且点445对应于传感器的实际参考位置。在图的下部，描绘检测到的位模式450和从由传感器检测的规则信号生成的单调相位455。
图5a描绘对代码带的示例性磁扫描500，其中所识别位序列用作学习程序的基础。可在传感器头与代码带之间的进一步相对移动505期间不断扩展或存储以此方式学习的位序列(或相应地存储的值表、位参考图或类似者)(参见下阶梯线510)。
例如，由于对应的用户输入或在实际(局部)检测到的位序列无法分配到已经学习的参考图内所存在的位序列的情况下，可在位置检测系统的首次使用期间发起对经磁译码目标对象的所提及位序列参考图的教导。在后一种情况下，直到在将两个图合并成单个图时在足够大的区域中检测到当前参考图与新图之间的匹配为止，校正后的参考图得以创建。
图5b示出对图5a所示的经磁编码目标对象中的示例性变化的检测。描绘图的第一行描绘存储在参考图上的先前学习的位序列515。在下三行520、525、530，更详细地示出识别到变化时的程序。
只要图1所示的传感器头100在代码带105的不变区域中移动，其就以正常模式操作，并且在过程中检测到的位模式535、540容易位于参考图上。如果代码带105的一部分被具有经不同地编码的位模式555的另一部分代替，则当传感器头100移动时，即当传感器头100移动到此区域中时，将经常且系统地发生位错误。
然而，当因此检测到的位模式在传感器头100移动方向的末端仅包含几个更改后的位550时，则可将参考图上与更改后的部分相对应的位标记为不可靠，并且因此仍然可以足够的精确度确定传感器头100的位置。因此，随着传感器头100进一步移动到更改后的区域555中，检测到的位模式将不对应于参考图的任何部分或仅相对不太可能的部分。
为了由此增加传感器布置的稳健性，有利的是，甚至在传感器布置的正常操作期间重新激活上述学习模式，或者使传感器布置处于永久活动状态，以便已经能够学习在修改后的代码带中编码的位模式，例如以便将这些位模式存储在替代参考图上。这允许基于正常参考图和替代参考图两者来确定传感器头100的位置，以便识别或采用更有可能的位置值作为结果中的正确传感器头位置。如果可使用替代参考图以更大的一致性确定位置，则可用替代参考图代替正常参考图。
在下文中，更详细地描述一种用于操作此处所涉及的位置检测系统的方法。
为了借助于学习生成上述位映像(“位图”)或参考图，将与代码带的磁位序列相对应的二进制值(即对应的位序列)存储在图上。基于从随着传感器头沿着移动区域移动而检测到的磁场相关传感器量提取的位信息，在系统操作期间不断扩展参考图。
位置检测系统根据以下处理步骤从相应的观察到的位序列创建参考图：
-如果参考图仍然为空，则将当前检测到的位序列存储在图的开始处；
-位置检测系统在参考图上搜索先前已经检测到并存储的位序列；
-如果在参考图内找到当前检测到的位序列，则参考图保持不变；
-如果在开始处或在结束处被截断的当前获取的位序列不短于在参考图上找到的匹配位序列的长度，则将当前检测到的位序列的截断后的部分的位附加到参考图的开始或结束。如果新位附加到参考图的开始，则这些位通过连续的负编号来表征。
-如果在参考图上未找到截断后的位序列，则创建第二参考图。
即使当前检测到的位序列不完全匹配参考图的任何部分，位置检测系统也会确定传感器的大致绝对位置。
所描述的位置检测系统具有相对高的容错。
即使传感器布置的扫描区域中的一个或多个位损坏，位置检测系统也会继续操作。代码带的磁位可能会机械损坏或被其他外部影响损坏，例如由于高温下磁性的局部逆转或消磁而损坏。此外，在代码带附近存在另一个铁磁或永磁对象可能至少导致某些磁位表现为损坏。此类损坏位可(i)被反转或(ii)标记为有错。
即使传感器布置的传感器元件中的一者或多者停止操作或提供不可靠的磁场分量值，位置检测系统也会继续操作。系统可(i)尝试重新校准受影响传感器元件或(ii)从传感器数据的评估中，特别是从所述0->1和1->0位转变及其位置的确定中完全排除所述传感器元件。
位置检测系统还在正常操作期间维护参考图。因此，参考图的非匹配位(i)被标记为不可靠，(ii)通过“非匹配”的频率(或概率)来表征，或(iii)在系统出现“非匹配”的情况下被反转。
位置检测系统独立地确定磁位长度。为了这个目的，在传感器头移动期间，系统分析其自己的坐标系中0->1和1->0位转变的位置，并(i)计算相应的磁位长度或(ii)选择相应代码带的给定规范的可能位长度值中最合适的一个位长度值。
考虑到位转变附近的成问题的位，位置检测系统在确定0->1和1->0位转变的位置时独立地执行校正。
如果位置检测系统不能够确定大致绝对位置，或如果确定的绝对位置与预期的下一位置在系统上显著不同，则系统再次尝试确定大致绝对位置，例如基于存储在参考图上的位序列的相反顺序来确定位置。
位置检测系统还检测传感器头相对于代码对象的定向错误(例如，其定向在y方向上的错误、定向在z方向上的错误、围绕x轴的旋转(侧倾)错误、围绕y轴的旋转(倾斜)错误以及围绕z轴的旋转(横摆)错误和/或其侧向(y)位置和/或离代码对象的距离(z))。
应注意，传感器布置的优选几何形状是传感器元件的基本上等距的线性布置。然而，相应的相邻元件之间的匹配距离不是本文所涉及的位置检测系统可靠操作的要求，其条件是相对于要检测的位序列进行由传感器检测的信号的评估方法还允许非等距的传感器布置。
还应注意，传感器头的相邻传感器元件的中心之间的距离可如下设置，即：
(i)大于磁位长度，
(ii)是磁位长度的1.5倍，
(iii)是磁位长度的1.65倍等，只要可保持传感器元件布置的场矢量旋转角的基本单调即可。
