TWI817561B

TWI817561B - 多感測器位置量測系統

Info

Publication number: TWI817561B
Application number: TW111122503A
Authority: TW
Inventors: 米哈伊爾泰普金; 奧列格托爾斯泰克; 根納迪泰金; 亞歷山大巴爾科維
Original assignee: 大銀微系統股份有限公司
Priority date: 2022-06-16
Filing date: 2022-06-16
Publication date: 2023-10-01
Also published as: TW202401958A

Abstract

本發明揭露一種多感測器位置量測系統，主要包括一基部、一載體及一模組化組件，其中，該載體上設有第一訊號陣列及第二訊號陣列。而該模組化組件係設於該基部上，並包括二用以感測該第一訊號陣列磁場變化之霍爾傳感器、二用以感測該第二訊號陣列磁場變化之磁阻傳感器、及一第一狀態傳感器，係具有一設於該載體上之標記單元及一設於該基部上之敏感元件，用以感測該標記單元所產生之訊號，作為後續參考訊號生成、銜接其他傳感器間的測量結果、歸位方向識別等用途。

Description

多感測器位置量測系統

本發明係與位置量測技術有關，尤指一種多感測器位置量測系統。

按，傳統位置測量系統通常以霍爾傳感器來進行偵測，但其缺點是精度較低，即約為±0.25mm，且分辨率亦不高，限制了霍爾傳感器在高精度工業領域之應用。

況且，為確保量測位置之準確性，通常會進行初始化，但若感測器和載體數量過多，初始化過程將相當複雜。

是以，如何在降低測量系統成本的前提下，同時簡化初始化過程，並提高精度，將是相關業者所需思量的。

因此，本發明之主要目的在於提供一種多感測器位置量測系統，其係能夠精確地測量載體所在位置。

緣是，為達成上述目的，本發明之多感測器位置量測系統主要係具有模組化組件，其包括兩個初級傳感器及兩個次級高精度傳感器，其中，利用初級傳感器和次級高精度傳感器間分段切換偵測，達到高精度檢測之功效。

具體來說，該系統更包括一基部、一載體、一第一訊號陣列及一第二訊號陣列，其中，該載體係可相對該基部移動。各該訊號陣列係彼此相隔開來地設於該載體上，並分別具有多數依序排列之訊號源件，且該第二訊號陣列的訊號周期小於該第一訊號陣列的訊號周期，據以提高量測精度。

其中，模組化組件更包括一處理單元用以接收該些傳感器所偵測之訊號，計算出該載體的位置，及一第一狀態傳感器，作為生成參考訊號、銜接其他傳感器間的測量結果、歸位方向識別等功能。

在一實施例中，第一傳感器與第二傳感器為初級傳感器，例如霍爾傳感器，作為位置反饋，第三傳感器與第四傳感器則作為次級高精度傳感器，例如異性磁電阻傳感器，用於修改初級傳感器所測量的位置，並確定電機電流換向相位。

在一實施例中，當該第一狀態傳感器被激活時，係位於該第一傳感器測量範圍的末端處，且該第二傳感器的振幅訊號係高於預定閾值。

在一實施例中，該處理單元以加權函數分別對該些傳感器所測量結果進行計算，以獲得一參考訊號。

在一實施例中，該處理單元根據該參考訊號、比較各該霍爾傳感器的振幅訊號與預定閾值、及分析該狀態傳感器的狀態，作為估算該載體的移動方向之依據。

在一實施例中，該量測模組更包括一第二狀態傳感器，位於該量測模組測量範圍的末端，並具有一設於該載體上之標記單元及一設於該基部上之敏感元件，用以感測該標記單元所產生之訊號。

其中，當該第二狀態傳感器被激活時，係位於該第二傳感器測量範圍的末端處，且該第一傳感器的振幅訊號係低於預定閾值。

在一實施例中，以該載體上的該第一訊號陣列及該第二訊號陣列間的相位變化定義出一與訊號周期相關的機械位移，以供該處理單元識別載體之用。

在一實施例中，以一初始位置將該量測模組的測量範圍區分成一正歸位區域及一負歸位區域，並透過該些傳感器所測量結果，估算出該載體的自動歸位方向

在一實施例中，該模組化組件更包括一定子，而該二霍爾傳感器及該二磁阻傳感器分別位於定子的兩側，當該第一訊號陣列位於該定子上方時，該處理單元始進行歸位運算。

綜上所述，本發明利用模塊化組件解決了傳統測量系統精度低、載體不易辨識、初始化計算繁複等問題。

(10):第一訊號陣列

(101):磁鐵

(11):載體

(12):第二訊號陣列

(T1)、(T2):磁周期

(L1)、(L2)、(L3):長度

(20):量測模組

(21):第一傳感器

(22):第二傳感器

(211)、(221)、(231)、(241):相位

(2111):週期

(212)、(222)、(232)、(242):訊號幅度

(213)、(223)、(233):閾值

(226)、(227):接合相位閾值

(214)、(215)、(224)、(225)、(2261)、(2271):位置

(228):初始位置閾值

(H1)、(H2)、(S1)、(S2)、(S3)、(S4):敏感元件

(A1)、(A2)、(A3)、(A4):訊號

(23):第三傳感器

(24):第四傳感器

(25):第一狀態傳感器

(251):標記單元

(252):狀態訊號

(253):敏感元件

(26):第二狀態傳感器

(261):標記單元

(262):狀態訊號

(263):敏感元件

(270)、(271)、(292):測量範圍

(272)、(2722):初始位置

(280):第一加權函數

(281):第二加權函數

(282)、(283):數位連接相位

(285):修正相位

(286):標準絕對相位

(290):接合區域

(291):重疊區域

(293):正歸位區域

(294):負歸位區域

(295):絕對區域

(296):末端區域

(200):歸位方向

(30):處理單元

(40):驅動單元

(50):定子

(60):模組化組件

(70):運動控制器

(71):現場總線

(DM):步長

(DHA)、(DA)、(DH):間距

(x1)、(x2)、(x2'):子周期位置

(d12):機械位移

圖1是本發明第一實施例的示意圖。

圖1A是本發明第一實施例的各構件具體位置關係之俯視圖、側視圖和前視圖。

圖2是霍爾傳感器內部元件的示意圖。

圖3是磁阻傳感器內部元件的示意圖。

圖4是本發明第一實施例各感測器所感測訊號的示意圖。

圖5是本發明第一實施例初始化程序中相關訊號和位置之示意圖。

圖6係延續圖5更定義出絕對區域的示意圖。

圖7是本發明第二實施例，係表示模組化組件的數量為二。

圖8是表示本發明第三實施例的俯視圖、側視圖和前視圖。

圖9是本發明第三實施例的示意圖。

圖10是本發明第三實施例針對第二狀態傳感器的編碼原理示意圖。

圖11是本發明第四實施例的示意圖，係表示增加步距之態樣。

圖12是本發明第五實施例關於兩模組化組件間歸位辨識的示意圖。

圖13是本發明第五實施例載體識別原理示意圖。

首先說明，本案中如第一、第二等排序用語，僅係便於元件之區別說明，其本身不具有技術上之意義，當無區別必要時，將省略之。

如圖1至圖6所示，係本發明之第一實施例所提供的多感測器位置量測系統，其主要包括一基部、一運動部以及一模組化組件(60)。

基部係沿著具有一長度，作為其他構件建設之基礎，以線性馬達為例，該基部即為線性馬達的定子座。

運動部具有一第一訊號陣列(10)、一載體(11)及一第二訊號陣列(12)，其中，載體(11)係具有一長度，並可活動地位於基部之一側，而各訊號陣列(10)、(12)彼此係相隔開來地設於載體(11)上；於本實施例中係以線性馬達為例，第一訊號陣列(10)係為動子上之磁鐵陣列，除作為與定子中之線圈所造成之磁場進行交互作用，使運動部進行直線位移外，並將磁鐵作為訊號源件；而第二訊號陣列(12)則可為採用磁學、電學或光學上的非接觸性訊號源件，規律排列而成的磁性尺或光學尺等習知技術，於本實施例中係以如磁鐵等多數磁性元件(101)組成的磁性尺；從而使各訊號陣列(10)、(12)分別具有磁周期(T1)、(T2)，並沿著載體(11)的長軸方向延伸，而分別具有預定之長度(L1)、(L2)。並使T2<T1，以提高檢測精度，以及使L1至少為兩個T2的倍數。

此外，各訊號陣列(10)、(12)之間具有一間距(DHA)，以減少磁場相互影響，如DHA可以是60mm，但不限於此。

模組化組件(60)所預設之預定寬度為步長(DM)，並具有一量測模組(20)、一處理單元(30)、一驅動單元(40)及一定子(50)，其中，定子(50)係設於基部上，並與第一訊號陣列(10)之磁場相互作用，驅動載體(11)相對基部位移。而處理單元(30)係接收量測模組(20)所感測訊息，並經運算以獲得關於載體(11)之位置資訊後，回饋至驅動單元(40)，再由驅動單元(40)對定子(50)進行供電控制，例如電流換向。

量測模組(20)具有一第一傳感器(21)、一第二傳感器(22)、一第三傳感器(23)、一第四傳感器(24)及一第一狀態傳感器(25)，其中，各第一、第二傳感器係分別為霍爾傳感器(21)、(22)係作為初級傳感器，且分別位於基部長軸方向上之兩端，並使定子(50)介於該些霍爾傳感器(21)、(22)之間，用以感測第一訊號陣列(10)之磁場變化，作為載體(11)位置反饋依據，且各霍爾傳感器(21)、(22)的間距(DH)為磁週期(T1)的整數倍數。

其中，各霍爾傳感器(21)、(22)分別具有至少兩個敏感元件(H1)、(H2)，分別以T1/4沿著X軸設置，如圖2所示。當載體(11)沿X軸移動時，各敏感元件所輸出訊號係分別與餘弦、正弦差分訊號Cos1+,Sin1+成正比，即U _Cos1=U _amp/1cos(α1),U _Sin1=U _amp/1sin(α1)，其中，α1為訊號相位，U _amp/1為振幅訊號，子周期位置(x1)係由處理單元(30)根據公式1計算而得： x1=(T1/360°)α1=(T1/360°)．atan2(U_Sin1+,U_Cos1+), (公式1)

其中，atan2(y,x)為四象限反正切函數。

由於霍爾傳感器(21)、(22)相對定子(50)的位置為已知，而能於電流換向後，再直接切換到另一組高精度測量傳感器，而不需要驅動單元(40)採取任何動作來找到當前的換向相位，相當便利。

第三及第四傳感器(23)、(24)則為磁阻傳感器，作為次級高精度傳感器，例如可為異性磁電阻感測器(Anisotropic Magneto-Resistive sensors)，用於偵測系統初始化期間的電機電流換向、及感測第二訊號陣列(12)之磁場變化。各磁阻傳感器(23)、(24)分別位於基部長軸方向上之兩端，並使定子(50)介於該些磁阻傳感器(23)、(24)之間。

其中，各磁阻傳感器(23)、(24)分別包括至少四個敏感元件(S1、S2、S3 and S4)，分別以T2/8沿著X軸設置。當載體(11)沿X軸移動時，各敏感元件所輸出之訊號係分別與差分正弦和餘弦訊號Cos2+、Sin2+、Cos2-、Sin2-的半週期成正比，即各向異性磁阻效應(Anisotropic Magneto-Resistive effect)：U _Cos2+=U _amp/2cos(α2),U _Sin2+=U _amp/2sin(α2),U _Cos2-=-U _amp/2cos(α2),U _Sin2-=-U _amp/2sin(α2),其中，α2是訊號相位，U _amp/2是訊號幅度。

處理單元(30)利用反正切三角函數(arctangent trigonometric function)來估計半個磁週期(T2)中的子週期位置(x2)：x2=(T2/720°)．α2=(T2/720°)．atan2(U_Sin2+-U_Sin2-),(U_Cos2+-U_Cos2-) (公式2)

此外，本發明透過以下條件，以簡化各訊號陣列(10)、(12)間的切換程序，即磁阻傳感器(23)、(24)的間距(DA)為磁週期(T1)的整數倍數。T1是 T2的整數倍數，例如T1=30mm，T2=10mm。L1為T1的整數倍數，並等於步長(DM)。L2至少為兩個T2，如下關係式：L2=L1+2．T2 (公式3)

如圖4所示，第三傳感器(23)的子週期相位(231)係與第一傳感器(21)的相位(211)位置同步，例如，當相位(211)等於0時，相位(231)也等於零。此外，在圖6中更以一標籤(13)標記了載體(11)的當前位置，以了解位置的各傳感器的狀態。

當第一傳感器(21)的訊號幅度(212)高於一預定之閾值(213)時，第一傳感器(21)變為激活狀態，而閾值(213)為最大訊號幅度(212)的一半。

當載體(11)沿X軸移動時，因第二訊號陣列(12)的長度(L2)係大於第一訊號陣列(10)的長度(L1)，使得第三傳感器(23)能比第一傳感器(21)更早偵測到載體(11)。

各霍爾傳感器(21)、(22)所分別量測的訊號(A1)、(A2)的訊號幅度(212)、(222)計算如下：

在圖4中，訊號幅度(212)在位置(214)、(215)等於閾值(213)，並以兩位置(214)、(215)的間距作為第一傳感器(21)的測量範圍(270)。

各磁阻傳感器(23)、(24)所分別量測的訊號(A3)、(A4)的訊號幅度(232)、(242)計算如下：

當第三傳感器(23)的訊號幅度(232)高於一預定之閾值(233)，並且第一傳感器(21)的訊號幅度(212)高於閾值(213)時，係將第三傳感器(23)切換至激活(active)狀態，並以初始位置(272)作為位置同步第一訊號陣列(10)與第二訊號陣列(12)之依據。

所述位置同步係指第一訊號陣列(10)切換至第二訊號陣列(12)期間，根據公式6所計算出新的子週期位置(x2')，並用於用於電機電流換向和高精度位置反饋。

x2’=(T2/2)．round(x1/x2)+x2, (公式6)

其中，round(x)是找到較小整數的函數。

在圖4中，訊號幅度(222)在位置(224)、(225)處等於閾值(223)，並以兩位置(224)、(225)的間距作為第二傳感器(22)及第四傳感器(24)的測量範圍(271)，並使量測模組(20)的測量範圍(292)介於位置(214)、(225)之間。

當載體(11)分別進入或離開各霍爾傳感器(21)、(22)的測量範圍(270)、(271)時，由於磁場變化引起的端部效應(end effects)以及敏感元件(H1)、(H2)未完全被第一訊號陣列(10)所覆蓋，造成訊號失真。是以，為了能連續且平順地測量載體(11)的所在位置，係使各霍爾傳感器(21)、(22)間的測量範圍具有重疊區域(291)，重疊區域(291)介於該些位置(215)、(224)之間，且其範圍至少為一個磁周期(T1)。

為了再降低端部效應的影響，本發明更以一數位接合法(digital joining method)定義出一接合區域(290)，如公式7，當載體(11)位於接合區域(290)中時，數位接合法係利用第一加權函數(280)和第二加權函數(281)分別對各霍爾傳感器(21)、(22)的相位(211)、(221)進行加總。

此外，各霍爾傳感器(21)、(22)的相位(211)、(221)相連接的時機係於系統切換到第二訊號陣列(12)之前，而各磁阻傳感器(23)、(24)的相位(231)、(241)相連接的時機係於系統切換到第二訊號陣列(12)之後。

如圖4所示，第二傳感器(22)的相位(221)係利用接合相位閾值(226)、(227)來估計接合區域(290)，且各接合相位閾值(226)、(227)分別為60°和120°，並以位置(2261)、(2271)分別作為接合區域(290)的起點及終點。

在接合區域(290)中，計算數位連接相位(282)的方式如下：α1_join=α1₂₁．W1(α1₂₂)+α1₂₂．W2(α1₂₂), (公式7)

其中，α1_join是各霍爾傳感器(21)、(22)的數位連接相位(282)，α1₂₁是第一傳感器(21)的相位(211)，α1₂₂是第二傳感器(22)的相位(221)，W1(α1₂₂)是第一加權函數(280)，W2(α1₂₂)是第二加權函數(281)，例如，加權函數是圖4中的接合區域(290)中的線性反函數。

再以公式8計算磁阻傳感器(23)、(24)的數位連接相位(283)。

α2_join=α2₂₃．W1(α1₂₂)+α2₂₄．W2(α1₂₂), (公式8)

其中，α2_join是各磁阻傳感器(23)、(24)的數位連接相位(283)，α2₂₃是第三傳感器(23)的相位(231)，α2₂₄是第四傳感器(24)的相位(241)。

第一狀態傳感器(25)可為光開關傳感器(optical switch sensor)，用於實現位置估計，例如參考訊號生成、銜接其他傳感器間的測量結果和歸位方向識別，並具有一標記單元(251)及一敏感元件(253)，其中，標記單元(251)係鄰近於第一訊號陣列(10)而設於載體(11)上，且其長度(L3)必須大於位置(2261)、(2271)之間的距離。敏感元件(253)係設於基部上，用以感測標記單元(251)所產生之訊號。當載體(11)進入第一狀態傳感器(25)的偵測範圍時，特別是位於位置 (2261)、(2271)之間，並配合敏感元件(253)與標記單元(251)間的位置關係，係使第一狀態傳感器(25)能變為激活狀態。

根據前述傳感器的佈置方式，再藉由狀態訊號(252)、相位(221)、接合相位閾值(226)、(227)及閾值(213)、(223)，以定義出接合區域(290)。

接著，為了建立增量式的絕對測量系統，須進行歸位程序(homing process)，又稱軸初始化運行(axis initialization run)，於移動路徑上設有初始位置(272)，作為觸發切換之參考依據，並使驅動單元(40)驅動載體(11)移動至初始位置(272)上，以確定載體(11)的絕對位置，並獲得一參考訊號。

在圖4中，係根據各霍爾傳感器(21)、(22)的閾值(213)、(223)及第二傳感器(22)的初始位置閾值(228)來獲得初始位置(272)。其中，初始位置閾值(228)為150°。

考量第一狀態傳感器(25)與接合區域(290)及初始位置(272)間的位置關係，標記單元(251)長度(L3)必須大於位置(2261)和初始位置(272)之間的距離。

另外，為確保模組化組件(60)之步長(DM)的唯一性，第一狀態傳感器(25)僅於第一傳感器(21)的最後一個週期(2111)被激活，如圖6所示，週期(2111)是指當載體(11)移動過程中，訊號(A1)變得小於閾值(213)之處。

然後，當第一傳感器(21)的相位(221)介於0°及60°之間，狀態訊號(252)變為激活狀態。

標記單元(251)的長度(L3)等於磁週期(T1)，以確保週期(2111)的唯一性。

在圖5中，係以初始位置(272)將測量範圍(292)區分為正歸位區域(293)及負歸位區域(294)，並透過第一狀態傳感器(25)和各霍爾傳感器(21)、(22)的狀態來確定自動回歸的方向(automatic homing direction)。其中，若載體(11)位於初始位置(272)，且第二傳感器(22)的相位(221)等於初始位置閾值(228)，而狀態訊號(252)處於激活狀態，則不需進行回歸。

當載體(11)位於正歸位區域(293)時，則必須在X軸的正方向進行歸零校正，且需滿足以下條件：狀態訊號(252)處於激活狀態，相位(221)低於初始位置閾值(228)，例如相位(221)介於30° to 150°之間，訊號(A1)高於振幅閾值(213)；或者，狀態訊號(252)未處於激活狀態，且訊號(A1)高於振幅閾值(213)。

當載體(11)位於負歸位區域(294)時，歸位必須在X軸的負方向上執行。

在圖4中，處理單元(30)係增減數位連接相位(282)、(283)來確定歸位方向。其中，若歸位方向為正，係將數位連接相位(282)減去兩個磁週期(T1)，即-720°；若歸位方向為負，則在數位連接相位(282)中添加兩個磁週期(T1)，即+720°。接著，當驅動單元(40)接收處理單元(30)所計算出之一修正相位(285)時，得以解碼位置並估計歸位方向。

此外，若將標記單元(251)長度(L3)小於兩個磁週期(T1)，且狀態訊號(252)處於激活狀態時，本發明更可於不進行歸位校正的情況下進行絕對位置估計。

如圖6所示，係以狀態訊號(252)中的激活範圍於測量範圍(292)中更區分出一絕對區域(295)，藉以計算出絕對位置及自動歸位方向。

其中，若載體(11)位於絕對區域(295)中，且狀態訊號(252)處於激活狀態，則不需要歸位，絕對位置的計算如下：當訊號(A1)高於閾值(213)：x_abs=(T1/360°)(α1_join-α_home) (公式9)

其中，x_abs是標準絕對相位(286)，α_home是初始位置閾值(228)，例如α_nome=150°；當訊號(A1)不高於閾值(213)：x_abs=(T1/360°)(α1_join-α_home)+T1 (公式10)

若載體(11)位於正歸位區域(293)中，且狀態訊號(252)為未激活，訊號(A1)高於閾值(213)時，必須在X軸的正方向進行歸零校正。

若載體(11)位於負歸位區域(294)中，歸位必須在X軸的負方向上執行。

此外，本發明係以不連續定子永磁直線同步馬達為動力，只有當第一訊號陣列(10)位於定子(50)上方，兩者的重疊區域為至少有一個磁週期(T1)時，才進行自動歸位方向運算，以避免馬達無法提供載體足夠的驅動力。

如圖7所示，為了能連續地測量載體(11)所在位置，本發明第二實施例係可沿著載體(11)移動路徑配置更多模組化組件(60)，且兩相鄰模組化組件(60)間的初始位置(272)之間距等於單一模組化組件(60)的步長(DM)，並使兩者間具有互相重疊之量測區域，且以現場總線(71)電性連接相鄰之兩模組化組件(60)，並再連接至一運動控制器(70)上，並作為控制載體運動之用。

運動控制器(70)分析接收到的相鄰模組化組件(60)的標準絕對相位(286)，並以模組化組件(60)其中一者來執行歸位演算。接著，若接收到的標準絕對相位(286)低於四個磁週期(T1)，即+1440°，則選用於X軸上排序在前的模組化組件(60)；否則，選用於X軸上排序在後的模組化組件(60)。

當載體(11)位於兩相鄰模組化組件(60)之間時，可能發生以下兩種情形，其一是兩模組化組件(60)皆可執行歸位，但兩者的歸位方向相反；另一係因重疊面積不足，導致不能移動載體(11)。是以，為解決前述問題，如圖8至圖10所示，係本發明第三實施例，其與第一實施例主要差異係於增設有一第二狀態傳感器(26)，可為光學開關傳感器，具有一敏感單元(263)，用以感測標記單元(251)或另一個獨立的標記單元(261)，且係放置在測量範圍(292)的末端，以使處理單元(30)得知測量範圍(292)即將結束，並以狀態訊號(262)中的激活範圍於測量範圍(292)中更區分出一末端區域(296)。

當載體(11)係位於末端區域(296)時，第二狀態傳感器(26)的狀態訊號(262)是激活的，處理單元(30)將四個磁週期(T1)，即+1440°，添加到數位連接相位(282)進行修正，以獲得一標準絕對相位(286)，並發送到驅動單元(40)，且再現場總線(71)傳送給運動控制器(70)。

如圖11所示，係本發明第四實施例，其與第一實施例主要差異係於第一訊號陣列(10)增加一組磁鐵(101)，以改變步長(DM)，而重疊區域(291)亦隨之變化，故本發明係利用第一狀態傳感器(25)作為輔助，以確保重疊區域(291)的唯一性。

圖12所揭第五實施例係接續第四實施例更以兩個模組化組件(60)來識別自動回歸的方向，且排列在後的模組化組件(60)必須在X軸的正方向進行歸零校正。

在歸位過程中，本發明更以傳感器冗餘技術來自動識別不同之載體(11)，在圖13中，係以各訊號陣列(10)、(12)間的相位變化來界定一機械位移(mechanical shift,d12)。為了不影響公式6的計算結果，機械位移(d12)為0.5mm，且不同載體的機械位移(d12)必須相差0.05mm，以具識別性。而第二傳感器(22)或第四傳感器(24)可測量機械位移(d12)，而運動控制器(70)存有全部載體(11)的機械位移(d12)，以進行解碼。

在本例中，係配合歸位程序中的初始位置(272)，將初始位置(272)作為辨識載體的量測位置，避免於不同基準位置，造成測量結果不同、降低精度的問題。