具有电枢位置检测装置的可反向直线驱动装置

摘要

本发明涉及可反向的直线驱动装置，它包括励磁线圈及一个磁电枢(8)，该电枢被励磁线圈的磁场驱动进行一个直线的、在轴向上振荡的运动。为了检测电枢位置，设有一个延伸在至少整个轴向电枢行程上的条形图元件(10)，该条形图元件具有交替布置的透光的及不透光的条(12i或11i)或反射光的及不反射光的条；及设有一个光电栅栏(14)，该光电栅栏具有相对轴向方向垂直的发射光的及接收光的部分。

说明书

本发明涉及一种可反向的直线驱动装置；它

-包括至少一个待施加可变化的电流的励磁线圈，

-包括一个磁电枢，该电枢待被励磁线圈的磁场驱使进行一个直线的、在轴向上以电枢行程振荡的运动，及

-包括用于检测电枢位置的装置。

这种直线驱动装置已由JP 2002-031054A公开。

相应的直线驱动装置尤其被用于：使压缩机的泵活塞进行一个直线的、振荡的振动运动。因此，由这种压缩机及直线驱动装置组成的系统也被称为直线压缩机(参见开始部分所述的JP-A-文献)。在相应公开的直线压缩机中，例如通过至少一个弹簧元件可振动地悬挂的电枢构成一个弹簧-质量系统，该弹簧-质量系统被设计用于一定的振动频率。在此，具有其力-行程特性曲线的压缩机在一定程度上也起到一个弹簧的作用，它与所使用的弹簧在某种程度上为并联连接及由此共同确定系统的固有频率。

对于这种可反向直线驱动装置的电枢位置控制，在很多情况下希望，尽可能精确地检测当前的、即实际的电枢位置。为此迄今或者非连续地检测电枢位置，例如当电枢已达到一个确定位置时通过闭合一个电触头来断续地检测。也公开了一种连续的位置测量，例如通过在励磁线圈中感应的电压来检测。但电枢位置的相应检测是相对不精确的。

因此，本发明的任务是，这样地构造具有开始部分所述特征的可反向直线驱动装置，使得能够进行当前的电枢位置的高分辨率的确定。

该任务将通过权利要求1中所给出的措施来解决。据此，具有开始部分所述特征的可反向的直线驱动装置被如下地构造：它的至少为检测电枢位置所设的装置包括一个延伸在至少整个轴向电枢行程上的条形图元件，该条形图元件具有交替布置的透光的及不透光的条或反射光的及不反射光的条；及包括至少一个光电栅栏，该光电栅栏具有发射光的及接收光的部分，它的光束至少近似地相对于轴向方向及条形图元件垂直地定向。

与该直线驱动装置的构型相关的优点尤其在于，位置测量和/或可由位置测量及时间测量导出的电枢速度测量通过使用公知的光电栅栏可非常精确及成本合适地实现。并且条形图元件、例如“条形码”形式的条形图元件通过例如印刷技术的制造，也可成本有利地及具有足够精度地实现。精确及连续的电枢位置测量使得尤其是一个直线压缩机的电枢位置的更精确调节成为可能及有助于该压缩机效率的改善。此外该位置测量附加地允许在加工中的更大的公差，因为电枢行程的上死点相对一个参考标记的绝对位置可用最小的附加成本来测量及例如可存储在一个电动机控制装置中。

根据本发明的可反向的直线驱动装置的有利构型可由从属权利要求中得知。这里根据权利要求1的实施形式可与从属权利要求之一的特征或优选地与多个从属权利要求中的特征相组合。因此对于该直线驱动装置还可设有以下的特征：

-条形图元件可合乎目的地与电枢刚性地连接。必要时也可以使至少一个光电栅栏(Lichtschranke)与电枢一起可运动地设置。

-此外光电栅栏可有利地被构造成双光电栅栏。这种光电栅栏可以有双倍精确的位置分辨率及简单地检测电枢运动中的方向反向。

-此外透光的条及不透光的条或反射光的条及不反射光的条各具有相同的轴向延伸宽度。但必要时也可能是，各个条具有不相同的、甚至根据轴向位置改变的轴向延伸宽度。

-此外或在此透光的和/或不透光的条或反射光的和/或不反射光的条的轴向延伸宽度可以分别小于0.25mm。

-条形图元件尤其可构造成梳状。

-特别有利地，条形图元件的条形图可附加地具有至少一个可分开处理的触发条。该触发条或可被现有的光电栅栏一起检测；或对此还可取而代之地设置另一(单)光电栅栏。借助这样一个触发条尤其可进行电枢绝对位置的标定。

-当然除用于电枢位置检测的装置外还可附加地设置用于其速度和/或其运动方向检测的其它装置。

根据本发明的可反向直线驱动装置的其它有利构型可由以上未提及的从属权利要求及附图中得到。

以下将借助优选实施例并参照附图来更详细地描述本发明。附图中表示：

图1：以横截面图示出本发明的可反向直线驱动装置的一部分，

图2及3：用于该驱动装置的一个双光电栅栏的两个可能的实施例，

图4：在使用相应的双光电栅栏的情况下与时间相关的电枢位置测量的模拟测量曲线，及

图5：使用这样的双光电栅栏的与时间相关的电枢速度测量的模拟测量曲线。

在附图中，相应的部分总是用相同的参考标号来表示。

在图1所示的根据本发明的可反向直线驱动装置是基于本身公知的、对于直线压缩机所设置的实施形式(参见开始部分所述的JP-A-文献)。该图基本上仅概要地表示这种直线驱动装置2的一个横截面的上部分；即在该图中仅示出了位于一个轴线或平面A一侧上的细节部分，所述轴线或平面延伸在一个轴向的振荡方向上。此外，未示出的部分其本身是公知的。直线驱动装置2包括至少一个励磁线圈4，为该励磁线圈配置了至少一个导通磁通的磁轭体5。在该磁轭体下面的一个通道类型或槽类型的区域7中具有一个磁电枢(Anker)或电枢部件8，它例如具有两个轴向上前后布置的永久磁铁。它们的磁化方向通过箭头线m1及m2来指示。这些也被称为“电枢滑板”的电枢具有轴向上侧面的、未进一步示出的延长部分。在绕组4的变化磁场中，电枢可在轴向上进行一个振荡运动，例如围绕一个位置(标记)P的振荡运动。该附图中的简化的图示假设，这样地进行相对位置P的振荡，使得在轴向x上从该位置起的最大偏移量、即振幅、用值+L或-L来表示。因此电枢行程H为|2L|。但在此应考虑：该位置P不必是位置固定的。尤其在起振过程中该位置P可明显地偏离在常规条件下对于电枢运动所假定的该位置。这就是说，电枢振荡通常不是持续对称于位置P的。如果我们将该位置P看成位置固定的，则在许多情况下相对它的正及负行程分量会不相等。

如该图中还表示的，在该选择出的实施例中两个位置固定地夹紧的板簧9及9’在位置P的两侧上作用在电枢8的延长部分上。此外可有利地，在电枢8的延长部分的至少一侧上使它与一个在图中未示出的压缩机V的泵活塞刚性地相连接。

图2表示一个本发明的直线驱动装置的、具有两个永久磁铁PM1及PM2的电枢8。在该电枢上类似“游标”地具有一个光栅栏梳形式的条形图元件10，例如由线性光学传感器所公知的(参见书籍“直线同步电动机：输送及自动系统”，第149至167页，J.F.Gieras&Z.J.Piech著，美国，CRC出版社，2000年)。该条形图元件10具有在轴向上交替前后布置的、不透光的直线状的条11i及相应的透光的直线状的条12i，这些直线状的条优选全都具有相同的轴向延伸尺寸或者说宽度、尤其是小于0.25mm的宽度。为了清楚起见，在该图中条11i由黑线来表示，并且，位于它们之间的透光的条12i由保留为亮的中间间隙来表示。优选该由透光及不透光条组成的结构至少覆盖电枢8的实际轴向总行程H。

该光栅栏梳可由不透光的材料组成及机械上构造成锯齿状的。变换地，它也可由透光的材料构成及被印有不透光的条形图。当电枢滑板本身由透光材料(例如透红外线(IR)的GFK)组成，则该光栅栏梳(Lichtschrankenkamm)也可通过对滑板材料的直接印刷来产生。

与电枢8一起运动的光栅栏梳10通过一个不运动的、位置固定地安装的透射-光电栅栏(Transmissions-Lichtschranke)14，后者的在光栅栏梳的已知周期长度(＝两个相邻条的宽度，其中一个条是透光的及另一条是不透光的)上的交变信号使得可以进行位置测量。对于该实施例将选择一个双光电栅栏，尽管一个单光电栅栏也适用。一个双光电栅栏可得到双倍精确的位置分辨率及能够检测电枢运动的方向反转。但用一个单光电栅栏也可得到相应的值，例如通过条形图的细化及对由电枢运动在励磁线圈中感应出的电压的测量，该电压在电枢反向时为零。所选择的双透射-光电栅栏14的两个光束相对轴向方向及条形图元件10垂直地定向。在此，它的两个光电栅栏元件16a及16b有利地在轴向上这样地定位，即它们与相邻的透光的条12i不具有相同的栅栏尺寸，而是它们的中心的间隔比相邻条的中心的间隔宽。双光电栅栏14的位置分辨率约为光栅栏梳的周期长度的1/4。此外，双光电栅栏使得能够识别电枢的运动方向。

在亮及暗之间的过渡中包含着其它的信息。通过两个光电栅栏信号的相减或相加，除90°信号外还形成45°信号，由此分辨率可提高到周期长度的1/8。为此且通常条形图的周期长度应调整到双光电栅栏的两个光电栅栏集光器的轴向距离上。

作为条形图元件10的实施形式所设置的光栅栏梳还有利地包括至少一个触发信号条17，例如它为一个长线条的形式。该条最好被设置在一个位置上，在该位置上电枢速度接近其最大值。与一个已知位置相应的该触发信号主要用于位置测量的定标，该位置测量被有利地在电枢运动的每个半波中进行。此外，该触发信号本身可被有利地使用在用于电枢位置调节的算法中。

通过根据图2的双光电栅栏14的、合适的半交叠布置可使双光电栅栏被直接地用于触发信号的处理。因为例如透射-双光电栅栏14的这些LED-光电晶体管对被选择行几何上高大于宽及这样垂直地布置，以致无触发条17的常规光栅栏梳仅约一半地被覆盖，这样在双光电栅栏提供的信号幅值上也可识别出触发信号条的驶过。

触发信号仅在电动机起动期间才是强制需要的。因此一个成本上有利的方案使用一个信号输入端、例如AD转换器，用于处理触发信号，该信号输入端在起动开始时还不是强制需要的，例如一个电流传感器的AD输入端。

变换地，参考标记位于额定工作范围以外。作为在起动时标准范围被一次超过的结果，可由同一传感器检测绝对的电枢位置。

独立的测量方法，如在接触参考标记情况下的电接触测量也可被使用为参考方法。由此必要时可放弃上述的光学触发信号。如果使相应的参考标记调整到一个负载、如压缩机活塞的上或下止挡或死点，则负载的坐标系及由此驱动装置的坐标系可被定标。

光栅栏梳也可被成形为非等距的，它在电枢反向点的附近具有最大位置分辨率及在最大电枢速度的区域中具有减小的位置分辨率。

通过对由光电栅栏测量的位置的时间微分将得到用于电枢速度的测量值。

变换地，该透射的方法也可被构造成反射的。为此，条形图元件必需设有反射的及吸收的条图形。反射方法具有其优点，即人们可在电枢的或与其相连接的载体的对立侧面上设置条图形，这些条图形必要时甚至可在条宽度及条布置上不同。由此不仅可提高测量精度；而且一个侧面也可用于参考测量。

在起动期间当一个与该直线驱动装置机械地耦合的压缩机压力平衡时，还可通过专门的控制来“缓和地”确定该压缩机的活塞止挡及在背着活塞一侧上的另一止挡。该背着活塞侧可在驱动装置的所有的工作状态中被达到及由此可作为起动时与工作状态无关的参考信号来使用。

条形图元件连同分析处理部分还可在驱动装置制造时用于测量运动方向上的机械公差及功能检验，例如测量行程，测量止挡，必要时也可在外部运动时测量。

根据图3的、具有条形图元件及双光电栅栏的电枢8的实施形式与根据图2的实施形式的区别主要在于：使用了一个透射-双光电栅栏14，它被一个无触发条的条形图元件20的常规光电栅栏完全地覆盖。通过触发条21引起的触发信号则借助一个附加的透射-单光电栅栏22来识别。

图4的曲线图表示对于一个直线驱动装置的一个具体实施形式的、电枢位置测量值x(单位为毫米)与时间t(单位为秒)的关系。

图5的曲线图以相应的图示对于该具体实施形式示出电枢速度测量值V_A(单位为米/秒)与时间t(单位为秒)的关系。在该曲线图中

用K1表示实际速度的曲线，

用K2表示滤平的光电栅栏测量值的曲线，

用K3表示光电栅栏速度测量值的曲线，及

用K4表示在触发时刻求得的及此后被保持的速度值。

当然，除了以上所述的、用于电枢位置及导出量、如速度及运动方向的光学测量的装置外，在根据本发明的直线驱动装置中还可使用其它的、本身公知的、非光学的装置。例如通过一个独立的、另外的触发信号、如借助电接触产生的触发信号可进行电枢绝对位置的标定。

对于在附图中所示的条形图元件，假设，它们与电枢滑板刚性地连接及单光电栅栏或双光电栅栏被位置固定地设置。然而，因为仅仅这些部件之间的相对运动是重要的，因此，在条形图元件位置固定时，光电栅栏例如也可处在电枢滑板上或以其它方式可动地被安装。

参考标号表

2       直线驱动装置

4       励磁线圈

5       磁轭体

7       槽类型的区域

8       电枢

9，9’       弹簧

10      条形图元件

11i     不透光的条

12i     透光的条

14      光电栅栏

16a，16b光电栅栏元件

        1.触发信号条

        1.条形图元件

21      触发信号条

22      光电栅栏

P       位置标记

L       最大偏移量

X       轴向方向

H       电枢行程

m1，m2  磁化方向

V       压缩机

PM1，PM2    永久磁铁

T       时间

V_A     速度

K1，K2，K3，K4  曲线