CN102918400B - 用于探测转动件的转动和转向的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的主题是一种用于探测转动件(1)的转动和转向的方法，至少一个阻尼部件(D)位于该转动件上，其中两个传感器(S1、S2)相互间隔开地且相距转动件(1)和阻尼部件(D)较小间隔地布置。传感器(S1、S2)形成振荡回路，该振荡回路视阻尼部件(D)的位置而定被或多或少地阻尼。在进行标准化之后，通过观察相继的转角位置来进行测量，具体为，按照采样频率的节奏测量传感器(S1、S2)的当前的振荡衰减时间，然后对传感器(S1、S2)的测得的振荡衰减时间应用标准化规则。接着，由这些值形成一个向量，将该向量绘制在坐标系中。随后确定当前的向量角，并前一个合适的向量角的值相比较。由比较结果推导出转动件(1)是否已进行了转动，并推导出该转动是向前还是向后。按照采样频率的节奏重复测量，这样就能以较大的精确度检测转动件(1)的转动运动。

Description

用于探测转动件的转动和转向的方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于探测转动件的转向和转向的方法。

背景技术

用于计数转动件例如用量计测量机构中的指针或转盘的转动的方法及适合于实施该方法的装置已知有很多种样式，且在市面上很常见。例如DE 3340 508 C2就公开了一种用于水量计的脉冲产生机构，其带有标准的指针-滚轮式计数机构。在承载转盘上安装有永磁体作为脉冲发送器。设置在计数机构壳体外部的脉冲接收器在永磁体每次移动经过时都发出计数脉冲。DE 10060 198 A1的主题为相仿的装置。但这种脉冲产生机构实际上并不实用，因为无法区分计数机构是向前还是向后移动。如果脉冲发送器在脉冲接收器的前面摆动，就会持续不断地产生计数脉冲，即使计数机构既未向前也未向后整圈地转动，因此会产生很严重的错误。

实践中广泛地采用感应式接近传感器，其使用可通过接近导电物体来阻尼的LC振荡回路和用于获知由阻尼件引起的阻尼的分析电路。在这里，LC振荡回路按照采样频率的节奏被周期性地激起谐振。然后测量直到谐振幅度下降到事先确定好的阈值以下的时间。如果阻尼部件处于传感器的检测范围之内，振荡衰减时间就短，如果阻尼部件处于检测范围之外，振荡衰减时间就长。如果阻尼部件部分地处于传感器的检测范围之内，振荡衰减时间就位于这两个极限之间；利用附加地插入的开关阈值来实现判定阻尼部件是处于检测范围之内还是之外。

如下文献公开了相关细节：DE 36 11 862 A1、DE 37 33 943 A1、DE 37 33944 C2、EP 0 608 494 B1、EP 0 467 753 B1、DE 39 23 398 C1和DE 19 809 031A1。

已知的方法和装置的另一特点是所用传感器的数量。例如DE 37 33 943A1和DE 37 33 944 C2公开了仅使用一个传感器的方法和装置。DE 36 11 862A1也仅公开一个传感器，该传感器被附加地构造为变换器。

EP 0 608 494 B1公开了一种旋转探测器，其利用具有三种不同阻尼特性的测量传感器、基准传感器和转动件工作。

EP 0 467 753 B1公开了一种用于识别旋转的装置，其利用两个甚至多个测量传感器工作，其中这些传感器相继地连接。由此应避免传感器之间的感应式串扰，这种串扰会引起干扰。

DE 39 23 398 C1公开了一种用于电池工作的旋转探测器，其甚至用四个传感器工作，其中的每两个传感器互补地连接。由于激励四个LC振荡回路当然要比激励一个或两个传感器耗用更多的电池电流，所以这种电路只能用大电池工作或者只能工作短暂的时间。

DE 198 09 031 A1公开到，可以把三个线圈制造成印刷电路，应给这些线圈各补充一个电容器，从而形成LC振荡回路。

采样频率并非最终决定电池电流的耗用量。采样频率越高，即每单位时间激励振荡回路越频繁，电池耗用量就越大。为了减小电池电流，采样频率应尽可能低。但不得违背香农定理。据香农定理所述，为了可靠地识别转动件的转动，必须针对每次旋转都进行两次以上的采样。因此，采样频率必须与所希望的最高转速一致，尽管最大转速很少达到或者从未达到。

为了在这些情况下减小电池耗用量，由EP 0 898 152 A1已知，适应性地改变采样频率。在转动件的静止状态下，采样频率逐级降低，一旦转动件又转动了，就又产生最大采样频率。但由于在转动件已旋转完至少四分之一圈时电子机构才识别到该转动件再次转动，所以会出现测量错误，直到又达到全额采样频率。

如果使用两个传感器来检测转盘的转动情况，该转盘的一半被阻尼部件占据，则两个传感器彼此错开π/2。借助上述开关阈值来探测阻尼部件是否位于传感器之前。因而每个传感器都发出两种信号：已阻尼或未阻尼。由此可以得到与转盘的四个象限相应的四种状态。比较相继的信号状态，就可以探测转盘已向前还是向后分别转动了π/2。在计数完四次相继的向前移动之后，就探测到向前转动了一整圈，在计数完四次相继的向后移动之后，就探测到向后转动了一整圈。

这种电路布置的主要缺点是，在仅仅阻尼部件的边缘位于传感器检测范围内时，不能可靠地判定“已阻尼”还是“未阻尼”。此外通常不能可靠地检测即时的振荡衰减时间，其原因是，对振荡幅度的测量不精确，对当前幅度处于幅度阈值以上还是以下的判定不准确。其它的错误根源是噪声例如量子化噪声和传感器因老化而发生的变化。所有这些都导致采样频率实际上被设定得必须远高于香农采样定理所要求的采样频率。这牵涉到相应高的电池耗用量。这是不利的。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种用于精确地探测转动件的转向和转动且同时减小能耗的方法。

该目的通过具有权利要求1的特征的方法得以实现。

本发明的方法无需像以往常见的那样判定“已阻尼”还是“未阻尼”。而替代地直接对测得的振荡衰减时间进行处理。但为了避免具有互不相同的特性的传感器因不同的老化过程等引起的不精确性，首先对这些传感器或其振荡衰减时间进行标准化，具体为，给未阻尼的最大振荡衰减时间指配值+1，而给已阻尼的最小振荡衰减时间指配值-1，从而在工作中测得的实际振荡衰减时间处于+1和-1之间的范围内，这要取决于振荡部件处于传感器的检测范围内有多远，针对所述实际振荡衰减时间应用相同的标准化准则。由测得的标准化的传感器振荡衰减时间，在两维的坐标系中形成一个向量，该坐标系的轴相互间夹成与传感器轴相同的角度。如果要像往常那样使用两个相互间直角布置的传感器来探测转盘的转动，该转盘的一半被阻尼板占据，则在两维的直角坐标系中从其零点绘制向量。在该坐标系中，向量在各次测量时按与所考察的转动件相同的转速和相同的方向旋转。由此，所考察的转动件的当前角度位置在每个采样时刻都是已知的，而不仅仅像以往那样或多或少地刚好转动π/2。

由于所考察的转动件的相应角度位置是精确已知的，所以通过对相继的角度位置的比较就能非常可靠地确定转动件是否转动、它沿哪个方向转动、何时向前或向后转动完一整圈。由于各次测量的精度有所提高，所以能明显地降低采样频率，进而降低能耗。

另一优点是，对最大的和最小的振荡衰减时间进行标准化，由此消除了传感器的个别偏差。这特别是当根据本发明的有利改进以一定的时间间隔重复标准化步骤时适用。

由于三角方程的周期性，所以在向量角超过360°的阈值或者低于0°的阈值时会出现值跳跃。由于转动件的转向在两次测量之间起初是未知的，所以例如因向后转动或者因向前转动超过360°的阈值跳跃而引起测量角度出现负差。但希望能可靠地确定转动件在何时向前或向后转动完一整圈。为了实现此点，借助在权利要求2中所述的方程来确定实际角度差。利用第一个方程来验证并未出现超过零线的跳跃，利用第二个方程来验证出现超过零线的向前跳跃，利用第三个方程来验证出现超过零线的向后跳跃。算得的三个值B1、B2或B3中的最小值相当于转动件在前次测量与当前测量之间已历经过的尽可能短的角弧度。

为了除了自从上次采样以来历经的转角的利用方程B1、B2和B3计算的弧度长度外还获知转向，借助权利要求2中的方程C1、C2和C3确定出符号，进而确定转向。正的符号意味着向前转动，负的符号意味着向后转动。

根据本发明的一种改进，在角度差的大小低于第一阈值时，可以减小采样频率，而在角度差的大小超过第二阈值时，再提高采样频率。

在使用两个传感器情况下，在角度间隔为π/2且作为转动件的转盘的一半被阻尼部件占据时，优选可以采用本发明。

在这种情况下，由测得的且被标准化的振荡衰减时间形成的向量的当前角度借助在权利要求6中所述的函数来计算。

附图说明

本发明将以实施例的形式借助附图予以详述。其中：

图1纯示意性地示出用于检测两维转动件的转动的装置；

图2简化地示出未阻尼的传感器的振荡衰减过程；

图3简化地示出最大程度地阻尼的传感器的振荡衰减过程；

图4示出在按照+1和-1之间的值标准化的两维平面坐标系中分析图1中所示的两维转动件的转动；

图5示出低速转动的转动件的测量点的位置和顺序；和

图6示出高速转动的转动件的测量点的位置和顺序。

本发明的实施方式和工业实用性

图1纯示意性地示出转盘形式的转动件1，阻尼部件D占据了该转盘的一半。设有两个传感器S1、S2，它们相距转动件1的距离短，且相互间的角间距为π/2。传感器S1、S2由LC振荡回路构成，这些振荡回路按照采样频率fA的节奏(见图6和7)被激起振荡。振荡衰减时间取决于阻尼部件D是完全地、部分地还是根本就没有位于传感器S 1、S2的检测区域中。

图2简化地示出在最大程度地未阻尼的状态下传感器S1的振荡衰减时间。相应的最大程度地未阻尼的振荡衰减时间t1max即为直到振荡幅度下降到预定开关阈值以下的时段。

图3类似地示出被最大程度地阻尼的传感器S1的过程。开关阈值Tr与图2中相同。最小的振荡衰减时间t1min明显比t1max短。

图4示出与图1的实施例相对应的两维直角坐标系E。两轴的值域按照+1和-1之间的值被标准化。在这里，轴t1n(S1)上的值+1相应于图2中的值t1max，值-1相应于图3中的值t1min。

据此，同样的情况适用于传感器S2的在标有t2n(S2)的第二轴上的值。

在传感器S1和S2中实际测得的值处于t1max和t1min之间。由于采用同一标准化规则，所以这些值在图4中处于+1和-1之间。由相继测得的标准化的值，在坐标系E中形成并绘出向量Z。

在图4中绘出了三个向量Z-1、Z0和Z+1。将传感器S1测得的标准化值t1n0与传感器S2测得的标准化值t2n0相加，就形成了向量Z0。当前的向量角W0可以利用方程W0＝arctan(t2n0/t1n0)来算得。向量角W通常借助如下公式来确定：

B1＝|(W0)-(W-1)|              C1＝signum((W0)-(W-1))

B2＝|(W0)-(W-1)+2π|          C2＝signum((W0)-(W-1)+2π)

B3＝|(W0)-(W-1)-2π|          C3＝signum((W0)-(W-1)-2π)。

相应地计算下一个向量Z+1的向量角W+1，同样也计算前一个向量Z-1的向量角W-1。

如图4所示，当前的向量Z0的向量角W0小于前一个向量Z-1的向量角W-1。但并非向后转动，而是向前转动越过零线。为了能够探测实际转向，进而探测到向上越过零线，或者探测到完全转动一整圈，利用如下方程来确定在Z-1和Z0之间的最小角度差ΔW的大小：

|ΔW|＝min{|(W0)-(W-1)|，|(W0)-(W-1)+2π|，|(W0)-(W-1)-2π|}

不言而喻，若转动件1向后转动，当前的向量角就会向下越过零线，从而明显大于前一个向量角。这里也可以选用最小值|ΔW|来提供清楚的解释。

图5和6针对向前转动的情况在低转速(图5)和高转速(图6)时按照采样频率fA的节奏示出了采样时刻的位置和数量。

就图5所示的低转速转动件而言，每一圈可得到较多的采样时刻，而就图6所示的高转速转动件而言，每一圈可得到较少的采样时刻。还可看到，向量角W仅在0°和360°之间或者0和2π之间移动。由此引起的测量值多重性却可以如前所述通过附加的准则来消除，即计算最小的角度差和相关的正弦值来进行消除。

在任何情况下都能以较高的可靠性检测出转动件1的当前角度位置及其向前或向后的转动情况。对以高精度确定的角度进行处理，由此可以实现即使每圈的测量点少即采样频率低，也能以较高的可靠性检测出转动件1的转动情况和转向。相比于通常的方法，在转动情况和转向的检测可靠性至少相同的情况下，采用本发明的方法几乎可以使采样频率减半。

Claims (7)

1.一种用于探测转动件（1）的转动和转向的方法，包括：

－ 把至少一个阻尼部件（D）定位在转动件（1）上；

－ 相互错开地且相距转动件（1）和阻尼部件（D）较小间隔地定位由振荡回路形成的两个传感器（S1、S2）；

－ 产生采样频率fA；

－ 按照采样频率fA的节奏周期性地激励传感器（S1、S2）振荡；

－ 检测传感器（S1、S2）的振荡衰减时间t1、t2；

－ 把振荡衰减时间t1、t2转换成转动件（1）的转角位置；

－ 比较相继的转角位置，用于获知转向；

－ 观察相继的转角位置，用于识别转动一整圈，

其特征在于：

－ 进行标准化，具体为

   i. 求得未阻尼的第一传感器（S1）的最大的振荡衰减时间t1max，

   ii. 求得已阻尼的第一传感器（S1）的最小的振荡衰减时间t1min，

   iii. 将未阻尼的第一传感器（S1）的最大的振荡衰减时间t1max标准化为值+1，

   iv. 将已阻尼的第一传感器（S1）的最小的振荡衰减时间t1min标准化为值-1，

   v. 针对另一传感器（S2）重复标准化步骤，

－ 进行测量，具体为

i. 按照采样频率fA的节奏测量传感器（S1、S2）的当前的振荡衰减时间t1、t2，

   ii. 对传感器（S1、S2）的测得的振荡衰减时间t1、t2应用标准化规则，

   iii. 由测得的振荡衰减时间的标准化的值t1n、t2n形成向量Z，从其零点将向量Z绘制在坐标系E中，该坐标系的维数相应于所使用的传感器（S1、S2）的数量，

   iv. 确定当前的向量角W0，

   v. 将当前的向量角W0与前一个合适的向量角W-1的值相比较，

   vi. 确定转动件（1）的转动，

   vii. 确定转向，

   viii. 按照采样频率fA的节奏重复测量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

－ 为了确定在当前的向量角W0与前一个向量角W-1之间的转角差⊿W，计算如下方程

B1=|(W0)-(W-1)|            C1=signum((W0)-(W-1))

B2=|(W0)-(W-1)+2π|    C2=signum((W0)-(W-1)+2π)

B3=|(W0)-(W-1)-2π|       C3=signum((W0)-(W-1)-2π)；

－ 由这三个方程B1、B2、B3中的具有最小值min(B1、B2、B3)的那个方程得到在当前测量与前一次测量之间的实际转角差⊿W的大小；

－ 由与具有最小值的方程B1、B2、B3相应的那个方程C1、C2或C3的正弦得到向量Z的或转动件（1）的在当前测量与前一次测量之间的转向；

－ 正的符号代表向前，负的符号代表向后。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：

－ 由具有最小值的那个方程B1、B2、B3与相应的正弦C1、C2或C3的乘积得到实际的转角差。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

－ 按照一定的时间间隔重复地进行标准化。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于：

－ 在转角差|(⊿W)|低于第一阈值时减小采样频率fA；

－ 在转角差|(⊿W)|超过第二阈值时再提高采样频率fA。

6.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于：

－ 借助如下公式来确定向量角W

W=arctan(t2n/t1n)，此时t1n=>0且t2n=>0，

W=arctan(t2n/t1n)+π，此时t1n<0，

W=arctan(t2n/t1n)+2π，此时t1n=>0且t2n<0。

7.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于：

－使用转盘作为转动件（1）。