角度傳感器、軸承單元、電機、控制系統及誤差檢驗系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種角度傳感器，用于確定相對第二部分旋轉的第一部分的絕對角度 信號。本發明還涉及一種軸承單元，電機，用于電機的控制單元，以及包括角度傳感器的誤 差檢驗系統。本發明還限定了一種計算機程序產品和確定絕對角度信號的方法。
【背景技術】
[0002] 角度傳感器也稱為旋轉編碼器或者軸編碼器，其將軸狀物或軸的角度位置或運動 轉換為模擬或數字代碼。已知機械式的角度傳感器可以使用具有開口的同心環。在每個角 位置，滑動觸頭可以檢測開口，并且電子電路可以將所檢測的開口圖案轉換成角位置。光學 編碼器可以使用相似的原理。具有開口的同心環可以由具有透明和非透明區域的圓盤替 代。光源和光電檢測器陣列使其能夠在給定的角度檢測非透明和透明區域的圖案。但是， 在具有潤滑脂遮蔽圓盤的軸承環境中，這些類型的角度傳感器難以使用。
[0003] 在軸承應用中，角度傳感器通常包括具有多個磁體以及一個或多個霍爾傳感器的 環。通常，磁環連接至軸承單元的旋轉部件。典型地，能夠檢測磁場的霍爾傳感器連接至軸 承單元的靜止部件。磁環包括多個磁極，每個磁極提供一磁場。霍爾傳感器檢測磁場并且 耦接至霍爾傳感器的電子電路將所檢測的磁場轉換成多個磁極的每個中的角位置。該裝置 還工作在涂有油脂的軸承環境中。
[0004] 例如，這樣的角度傳感器在美國專利申請US2009315544中是已知的。根據該專利 申請的角度編碼器包括：旋轉檢測設備，該裝置包括同軸布置并且具有不同數量磁極的多 個環形磁編碼器；多個磁傳感器，每個可操作的檢測對應磁編碼器的磁場并且具有在對應 磁編碼器的單個磁極中檢測位置信息的功能；相位差檢測器，其用于確定由各磁傳感器分 別檢測的磁場信號的相位差；以及角度計算器，其基于所檢測的相位差計算磁編碼器的絕 對旋轉角度。

【發明內容】

[0005] 本發明的目是提供一種可替代的角度傳感器，其用于確定絕對角度信號。
[0006] 本發明的第一方面提供一種角度傳感器。本發明的第二方面提供一種軸承。本發 明的第三方面提供一種電機。本發明的第四方面提供一種用于控制電機的控制系統。本發 明的第五方面提供一種誤差檢驗系統。本發明的第六方面提供一種確定絕對角度信號的方 法。本發明的第七方面提供一種計算機程序產品。優選的實施例被限定在從屬權利要求中。
[0007] 根據本發明的第一方面，該目的通過提供一種用于確定相對于第二部分旋轉的第 一部分的絕對角度的角度傳感器來實現。該角度傳感器包括第一光柵環，其包括第一多個 第一光柵元件，各元件相鄰于彼此布置構成環片段，每個第一光柵元件與第一傳感器相互 作用，用于產生沿第一光柵環的對應環片段的代表第一傳感器的相對位置的第一信號。該 角度傳感器還包括第二光柵環，其包括第二多個第二光柵元件，各元件相鄰于彼此布置構 成環片段，每個第二光柵元件與第二傳感器相互作用，用于產生沿第二光柵環的對應環片 段的代表第二傳感器的相對位置的第二信號。第一光柵環和第二光柵環配置成旋轉相同的 旋轉角度，當第一部分相對于第二部分旋轉時。第一多個和第二多個是互質數，并且第一多 個與第二多個之間的差值大于1。角度傳感器還包括配置成使用第一信號和第二信號的第 一線性組合來計算絕對角度信號的計算器。
[0008] 第一多個第一光柵元件和第二多個第二光柵元件的使用能夠使用簡單的線性關 系計算絕對角度信號，同時第一多個和第二多個之間的差值大于1，其中，第一多個和第二 多個是互質數。在已知的角度傳感器中，兩個磁編碼器之間的磁極數量差等于1。這是方便 的，因為其能夠從差值信號中簡單地確定絕對角度信號，差值信號由第二磁編碼器的第二 信號減去第一磁編碼器中的第一信號產生。由于在已知的配置中兩個磁編碼器之間的磁極 數量之間的差，所確定的差值信號在每旋轉360度的角度時自身重復1次，因此能夠確定絕 對角度信號。在根據本發明的角度傳感器中，第一多個和第二多個是互質數。本發明的發 明人發現，由于第一多個和第二多個之間的該互質關系，第一多個第一光柵元件和第二多 個第二光柵元件遵守貝祖恒等式（Bezout identity)，其能夠用簡單的線性關系計算絕對 角度信號（其它詳情見詳細說明）。因此，第一多個第一光柵元件與第二多個第二光柵元件 之間的差值可以遠遠大于1，仍然能夠從角度傳感器中確定絕對角度信號。當允許第一多個 與第二多個之間的差值大于1時，其它的優點是同一角度傳感器除了可以用于計算絕對角 度信號之外還可以用于以相對高的精度計算電機的電角度信號。
[0009] 因此在根據本發明的角度傳感器的一實施例中，角度傳感器還配置成使用第一光 柵環和第二光柵環來確定絕對角度信號和電機的電角度信號。在根據該實施例的角度傳感 器中，第一多個（nl)與第二多個（n2)之間的差值等于電機的磁極對的數量，其中計算器配 置成通過計算第一信號與第二信號之間的差值來計算電角度信號。在已知的角度傳感器 中，兩個磁編碼器之間的磁極數量的差值等于1，使用一對磁編碼器來確定絕對角度信號和 電角度信號是不夠精確的。為了計算該已知配置中的電旋轉角度，絕對角度信號必須乘以 電機中存在的磁極對的數量。絕對角度信號的該乘法顯著地增加了所確定的電角度信號中 的誤差，尤其是電機中的磁極對的數量相對高時。因此，已知的角度傳感器還需要另外的磁 編碼器來精確地確定電旋轉角度。在根據本發明的角度傳感器中，第一多個和第二多個是 互質數，其中第一多個與第二多個之間的差值大于1。第一多個與第二多個之間的該差值還 可以等于電機中存在的磁極對的數量。因此，可以通過計算第一信號與第二信號之間的差 值來計算電角度信號。尤其是在電機的磁極對的數量相對高的實施例中，根據當前發明的 確定導致精度上的顯著提高并且避免對另外的磁編碼器的需求。
[0010] 例如，第一光柵環和第二光柵環可以是磁編碼器，例如其中每個第一光柵元件和 第二光柵元件可以是不同的磁極。可替代地，例如，第一光柵元件或第二光柵元件包括電子 電阻元件，或者例如三角形開口，或者任何其它的配置，該配置能夠與相應的傳感器一起產 生沿光柵環的相應環片段的代表傳感器的相對位置的信號。第一傳感器和第二傳感器分別 與第一光柵環和第二光柵環相互作用。在第一光柵元件或第二光柵元件是磁極的實施例 中，例如，第一傳感器或第二傳感器可以是霍爾傳感器或者布拉格傳感器，例如，其包括光 纖光柵。在第一光柵元件或第二光柵元件是三角形開口的實施例中，例如，第一傳感器或第 二傳感器可以是光傳感器或光傳感器陣列。在第一光柵元件或第二光柵元件是電子電阻元 件的實施例中，例如，第一傳感器或第二傳感器可以是感應電子電阻元件中的電子電阻變 化的滑動觸頭。
[0011] 在角度傳感器的一實施例中，第一光柵環是具有第一多個光柵元件的磁編碼器， 該第一多個光柵元件是多個第一磁極，和/或第二光柵環是具有第二多個光柵元件的磁編 碼器，該第二多個光柵元件是多個第二磁極。使用磁編碼器的好處在于在諸如軸承的潤滑 脂環境中可以使用一個相對堅固耐用的角度傳感器。
[0012] 在角度傳感器的一實施例中，第一傳感器和/或第二傳感器從一列表中選擇，該 列表包括：霍爾傳感器、涂覆有磁致伸縮材料的光纖布拉格格柵傳感器。
[0013] 在角度傳感器的一實施例中，第一傳感器和/或第二傳感器從一列表中選擇，該 列表包括：電阻傳感器、電感傳感器、磁阻式傳感器、渦流傳感器、磁致電阻傳感器、電容傳 感器，以及光學傳感器。
[0014] 在角度傳感器的一實施例中，計算器還包括配置成在所確定的電角度信號中減少 噪聲的校正器，其中該校正器配置成產生是重復信號的虛擬校正信號，該重復信號具有合 適其它整數倍電角度信號的重復頻率，虛擬校正信號包括信號一和信號二的總和，其中信 號一從一列表中選擇，該列表包括：第一信號、第二信號、改進的第一信號以及改進的第二 信號，并且其中信號二從一列表中選擇，該列表包括：絕對角度信號以及改進的絕對旋轉角 度信號。
[0015] 例如，虛擬校正信號包括第一信號與絕對角度信號的總和，或者第二信號與絕對 角度信號的總和，或者第一信號與改進的絕對角度信號的總和，或者第二信號與改進的絕 對角度信號的總和，或者改進的第一信號與絕對角度信號的總和，或者改進的第二信號與 絕對角度信號的總和，或者改進的第一信號與改進的絕對角度信號的總和，或者改進的第 二信號與改進的絕對角度信號的總和。
[0016] 在角度傳感器的一實施例中，第一光柵環和第二光柵環被連接到作為旋轉部分的 第一部分，而第一傳感器和第二傳感器被連接到作為靜止部分的第二部分。
[0017] 在角度傳感器的一實施例中，第一多個和第二多個是表示為（nl，n2)對的互質數 對，其中互質數對從互質對列表中選擇，該列表包括：（15, 29)，（15, 31)，（16, 31)，（16, 33) ，（17,33)， （17,35)， （18,35)， （18,37)， （19,37)， （19,39)， （20,39)， （20,41)， （21，41)， （21， 43)， （22,43)， （22,45)， （23,45)， （23,47)， （24,47)， （24,49)， （25,49)， （25,51)， （26,51)，（ 26,53), (27,53), (27,55), (28,55), (28,57), (29,57), (29,59), (30,59), (30,61), (31,61 ),(31,63), (32,63), (32,65), (33,65), (33,67), (34,67), (34,69), (35,69), (35,71), (36 ,71), (36,73), (37,73), (37,75), (38,75), (38,77), (39,77), (39,79), (40,79), (40,81), (41,81), (41,83), (42,83), (42,85), (43,85), (43,87), (44,87), (44,89), (45,89), (45,9 1), (46,91), (46,93), (47,93), (47,95), (48,95), (48,97), (49,97), (49,99), (50,99), (5 0, 101), (51, 101), (51, 103), (52, 103), (52, 105), (53, 105), (53, 107), (54, 107), (54, 109 ),(55, 109), (55, 111), (56, 111), (56, 113), (57, 113), (57, 115), (58, 115), (58, 117), (59 ,117), (59, 119), (60, 119), (60,121), (61, 121), (61, 123), (62, 123), (62, 125), (63, 125) ,(63, 127), (64, 127), (64, 129), (65, 129), (65, 131), (66, 131), (66, 133), (67, 133), (67, 135), (68, 135), (68, 137), (69, 137), (69, 139), (70, 139), (70, 141), (71, 141), (71, 143), (72, 143), (72, 145), (73, 145), (73, 147), (74, 147), (74, 149), (75,149), (75,151), (76, 1 51), (76, 153), (77, 153), (77, 155), (78, 155), (78, 157), (79, 157), (79, 159), (80, 159),( 80, 161)，（81，161)，（81，163)，（82, 163)，（82, 165)，（83, 165)，（83, 167)，（84, 167)，（84, 16 9)， （85, 169)， （85, 171)， （86, 171)， （86, 173)， （87, 173)， （87, 175)， （88, 175)， （88, 177)， （8 9, 177)，（89, 179)，（90, 179)，（90, 181)，（91，181)，（91，183)，（92, 183)，（92, 185)，（93, 18 5)， （9