用于来自磁条长度测量系统的传感器信号的动态线性化的方法

摘要

本发明涉及一种用于将磁条长度测量系统中的传感器信号线性化的方法，其中传感器头(100)在测量主体(107)的两个磁极(103、105)之间移动。具体来说，在所述磁条长度测量系统的操作期间来动态进行线性化，并且当所述传感器头(100)在所述测量主体(107)的所述两个磁极(103、105)之间从磁极至磁极或从磁极对至磁极对地移动时，通过外插来补偿线性化偏差。

说明书

本发明起源于一种用于根据独立权利要求的类型的来自磁条长度测量系 统的传感器信号的线性化的方法。

现有技术

在测量技术领域中，已知根据此类型的长度测量系统，其中传感器头经由 测量主体移动，所述测量主体利用交替极性磁化。由于移动，在理想情况下， 在传感器头或磁场传感器中产生正弦传感器信号。根据磁性测量原理，在具有 测量主体的每个磁极(例如，在测量磁通量密度平方B²的GMR或AMR传感 器的情况下)或具有测量主体的每个磁极对(例如，在供应与磁场强度与电流 的乘积成比例的输出电压的霍耳(Hall)传感器的情况下)的传感器头中重复信 号过程。位置确定是以本质上已知的方式(例如，通过三角函数)进行。

由于例如测量主体的不可避免的公差或传感器头与测量主体之间的距离 的不可避免的公差，并且由于可变环境条件(由温度引起的电、磁条件等)， 发生测量系统非所需的线性偏差。这些偏差的另外可能原因为测量主体的构造 公差或测量主体产生的磁场的公差，这种公差是由磁性材料或磁化强度的非均 匀性导致。测量信号的线性或线性偏差还受位于传感器头中的、或在传感器头 后的电子器件影响。以下，考虑实质上由传感器头和恒定外部磁场导致的线性 偏差。

另外，传感器信号本身实际上偏离理想正弦信号，并且具体来说与该理想 正弦信号具有不同振幅以及不同偏移。

此外，已知的是，除了检测正弦信号的特定的传感器之外，在传感器头中 布置第二传感器，借助第二传感器，就可检测与正弦信号相比相移90°的余 弦信号。如已知的，测量周期内的测量信号的清晰性是借助第二传感器确保， 因为仅正弦信号和余弦信号组合才可实现对周期内的测量信号的清楚估计。

必须注意，第一传感器和第二传感器可布置在彼此90°相移的距离处，其 中这两个传感器在相同方向上是灵敏的。替代或另外地，可以假定这两个传感 器在彼此旋转90°的方向上是灵敏的。角度传感器可另外通过检测正弦信号和 余弦信号来实现。

将两个传感器信号供应至所谓的“内插器”，此内插器以本来已知的方式补 偿正弦信号以及余弦信号的偏移、振幅和相位。这通过一次校准程序或通过仍 在传感器或长度测量系统生产期间借助参考系进行校正表的创建来静态进行， 或另外地动态进行，其中内部加强和偏移参数在传感器头的移动期间变化，使 得形成尽可能理想地用于进一步处理的传感器信号。

由于两个相移的传感器信号，与理想90°相比的相移量表示对线性的影响 变量，所述影响变量同样可由特定的内插器补偿。

另外，补偿检测到的传感器信号的谐波所导致的线性偏差同样是已知的。 因此，这些谐波可能已经由磁性结构的特定布置在磁场传感器中得到补偿。在 较大磁极宽度情况下，通过使用若个干角度传感器以及对测量数据的加权估计 减少谐波。

或者，不同振幅、不同偏移、近似90°的相位偏差以及谐波可由在磁极周 期内增添至已确定的位置的磁极周期校正信号补偿。例如，可提前在参考系上 确定合适校正信号。因此，所确定的位置数据通过后续校正表转换成线性化的 位置数据。由于这是静态校正信号，因此此类型的补偿会以不利方式要求关于 磁场传感器的信号过程中的振幅、偏移、相位以及谐波比例的上偏差保持实质 恒定。另外，线性偏差将不受传感器头与测量主体之间的间隙或传感器温度的 影响。然而，由于这种影响存在于大多数传感器情况下，因此特定静态组合 (staticcomposition)在许多情况下是不可能的。

发明内容

本发明的目标是消除已知磁条长度测量系统的特定缺点并将允许开始所 描述的磁场传感器的非线性的动态补偿。

根据本发明的方法允许在测量系统的操作期间，即，在传感器头沿着测量 主体的移动期间，补偿已知的非线性。因此，可以使用少数的传感器或廉价的 传感器，由此，这种长度测量系统能够以实质上比现有技术中已知的测量系统 中更成本有效的方式进行生产。另外，可在传感器的生产期间省略成本高的校 准。

特定优点导致其中传感器头的移动速度能够进行调节并且要求相对大的 间隙区域的此类测量系统的情况。由于较大间隙，因此必须使用相应较大磁极 宽度。

此外，本发明还允许针对不同磁极宽度使用统一的传感器类型。例如，如 果需要较大间隙，那么仅必需切换至具有更大的磁极宽度的测量主体。这是因 为具体来说两个传感器之间的相位(正弦和余弦)由此改变，然而，这在借助 所提出的补偿方法进行的估计中不起作用。通过改变磁极宽度，输出信号的分 辨率也会改变。对线性驱动器而言，测量主体可以完全省去，并且仅定子的磁 场可以用于距离测量。这提供了显著成本优势。

本发明另外还允许在对线性偏差进行特定补偿的情况下，考虑所检测的传 感器信号的谐波和/或传感器信号的角度偏移，使得可取决于传感器头的移动 速度或移动速度的一致性实现对这些影响变量的动态适应。

本发明此外还允许将会不断动态适应(即，也在进行中的测量期间)并具 有与现有技术相比明显减小的剩余线性偏差的指定的校正表。

借助本文所描述的优点。根据本发明的长度测量系统适于机器构造中的高 精度的长度测量，尤其是在线性驱动器、激光切割系统、印刷系统、用于冲压 的机器构造或转台的情况下。

附图简述

图1示意性地示出根据现有技术的磁条长度测量系统的等距视图；

图2示出用于例示根据现有技术来对谐波所造成的线性偏差进行校正的 方框图；

图3a、图3b示出针对具有相对大的线性偏差的小间隙模拟的传感器信号；

图4a、图4b示出针对具有相对小的线性偏差的大间隙模拟的传感器信号；

图5a至图5c示出根据本发明的用于根据图3a的传感器信号的线性化的 过程以及从图5b得到的线性内插校正曲线(图5c)的实施方式；

图6借助于流程图示出根据本发明的用于磁条长度测量系统的传感器信 号的动态线性化的方法的实施方式；

图7a、图7b示出在传感器头的延迟移动的情况下类似于图5b和图5c的 校正曲线；

图8a、图8b例示传感器头的两个传感器的距离未精确为90°的测量情况；

图9例示传感器头的两个传感器的测量信号彼此相移小于90°的测量情 况；

图10示出作为线性电机的定子场所形成的测量主体的实例的信号比。

实施方式详述

图1中示出的无触点式磁条长度测量系统包括传感器头100和磁性编码的 磁条测量主体107。传感器头100在测量主体107上滑动，所述测量主体在具 有交替极性103、105的测量方向125、130上、在近似2mm至6mm的距离 处磁化。在实施方式中，传感器头100包括两个传感器元件115、120。

在传感器头100在变化极性方向125、130上移动的情况下，分别在两个 传感器元件115、120中产生信号，所述信号在理想情况下以正弦的方式运行， 其中第一传感器元件115检测正弦信号，并且其中第二传感器元件120检测余 弦信号，余弦信号与正弦信号相比相移90°。计数所得周期变化，或者借助本 来已知估计电子器件确定在周期内传感器元件115、120的位置。

根据磁性测量原理，所产生的信号的周期持续时间对应于磁极长度，例如 在测量B²的GMR或AMR传感器的情况下。然而，在例如测量B的霍耳传 感器的情况下，信号周期则对应于磁极对的长度。传感器头移动速度高达20 m/s，其中，尽管特定相对大的距离多达6mm，测量分辨率在传感器头移动方 向上在高达100μm的范围内。

甚至在存在(未示出)恒定外部磁场的情况下，信号周期长度与磁极对相 当，测量主体107的北极103和南极105的场以不同方式受外部磁场影响。因 此，线性偏差同样具有相应周期性的部分。

根据所使用的传感器和磁极宽度，线性偏差随着传感器头与测量主体之间 的距离(即，随间隙大小)显著改变。如果外部磁性比率例如由于干扰场而仅 稍微不同，并且磁极实质上同样地强烈磁化，那么信号过程在后续周期中非常 类似先前信号过程。

图2借助方框图来示出用于由谐波导致的线性偏差的校正的本来已知程 序。包括两个传感器元件115、120的磁场传感器200供应指定的正弦信号和 余弦信号。这些信号被供应至内插器205，内插器会计算仍包含谐波的位置数 据(可能考虑信号的偏移、相位和振幅)。这些位置数据借助校正表210来线 性化，利用该校正表，线性化的位置数据出现在校正表的输出处。这些位置数 据并不具有与以上所描述的线性的不利偏差。

在图3a和图3b中，通过模拟计算(图3a)而产生的示例性正弦磁场传 感器信号300和余弦磁场传感器信号305在路径x[m]上以极高且分别不同的 谐波比例来描绘。这些比率导致用于相对长的磁极和相对小的间隙的现实。如 已解释，自身为周期性的源于这种情况并示出于图3b中的线性偏差310相应 较大。

在图4a和图4b中，指定模拟计算的对应结果描绘于本质上相同的传感器 上，所述传感器仅具有一个间隙，所述间隙与图3a和图3b相比较大。针对这 个传感器配置(图4a)而产生的传感器信号400、405为几乎理想正弦或余弦 的；仅仅信号振幅小于根据图3a和图3b的实例中的。具体来说，如图4b中 清楚，源自这种情况的线性偏差410极低或几乎恒定为零。

根据图3a和图3b以及图4a和图4b，所得的传感器信号以非常灵敏的方 式而取决于传感器头与测量主体之间的间隙大小。具体来说，对应线性偏差无 法借助静态校正表或固定校正表来校正。

在随后所描述的实施方式中，假定传感器头以相对恒定高的速度移动。所 有磁极对产生的磁场为相同的，并且传感器头与测量主体之间的间隙从磁极至 磁极仅非常缓慢地变化，使得图3a和图3b以及图4a和图4b中示出的变化仅 在若干磁极上发生，由此当前测量的磁极的信号过程类似先前磁极和下一磁极 的信号过程。

图5a和图5b示出根据本发明的用于图3a中示出的传感器信号的线性化 的方法的实施方式。测量主体周期可从传感器头检测到的正弦信号500和余弦 信号505来得到。因此，周期持续时间t_pol可根据用来传送磁极的时间确定， 所述时间对应一个周期。如果t_pol的值为相对小的，并且在连序磁极之间传送 期间仅稍微改变，那么就可假定传感器头以相对高且恒定的速度移动。这个实 施方式基于这一情况。

在指定周期持续时间t_pol期间，测量对应于假定实际位置的内插位置与恒 定假定移动之间的位置差异，其中v_const＝磁极周期/t_poln次，在本实例中为七次。 在恒定速度的情况下，所得的位置差异值对应于线性偏差510的、布置为等距 离的七个支持点。通过减去内插位置，在实施方式中产生线性内插校正曲线或 支持曲线515(参见图5b中的右手部分)。

在距离s(传感器头移动距离)或时间t(传感器头移动时间)上应用距 离校正值s_kor的图5c仅示出了先前所描述的支持曲线515，以便进行简化描绘。 必须注意，在传感器头的假定为恒定的速度的情况下，如在本实施方式中，图 5c中描绘的校正曲线515在随距离s的描绘(图5c中的虚线垂直线)中和在 随时间t的描绘(图5c中的点线)中为相同或一致的。如借助图2所描述， 支持曲线515实时增添至各个后续磁极的位置。

必须强调，所描述的线性内插仅描绘了一个实施方式，并且内插也可借助 二次或正弦曲线或基于多项式的曲线进行。线性方法的优点为相对少的技术工 作，并且因此还使实施成本相对较低。

在充分多的支持点以及(如以上描述的这个实施方式所要求的)线性和速 度的相对低的变化的情况下，就可借助这个程序来相对准确确定每一后续磁极 的实际位置，并且因此可显著地降低所得线性偏差。

因此，所描述的方法允许传感器系统100、115、120的实时操作中的动态 线性化，因为线性偏差的适应或补偿是发生在传感器头100在测量主体107 的单个磁极之间移动(就像所述传感器头从磁极至磁极连续或“递增地”移动) 期间。由此，尤其有利的是，如果在传感器头100的移动期间，例如通过改变 间隙或温度造成的线性偏差过程仅以指定小的程度改变，即，在若干周期内仅 相对缓慢地改变。

先前所描述的方法的对应方法步骤借助流程图描绘于图6中。首先，测量 周期持续时间t_pol并且确定用于下一周期的扫描时间600。根据方程式 v_mittel＝s_pol/t_pol在单个磁极或单个磁极周期内从这些值计算605平均速度，其中 s_pol指代磁极或磁极对的指定长度，并且t_pol指代用于穿过磁极或磁极对的时间 (即，指定周期持续时间)。在如以上确定的下一周期的任何扫描时间处测量 并且存储610传感器头的位置。使用所计算的速度v_mittel从用于假定恒定移动 的这些数据确定615所描述的支持曲线(作为线性偏差的校正曲线)。例如， 以通过图5c中示出的支持点的线性内插的方式借助从先前周期确定的支持曲 线校正620后续周期的位置。

在随后所描述的实施方式中，要求传感器头以与先前所描述的实施方式相 反的方式来以相对低的速度移动。替代或另外地，速度因此发生变化。

在缓慢移动速度或传感器头停止的情况下，不重新确定支持点，而是暂时 再次使用最后确定的支持点，因为只要传感器头距测量主体的距离不明显地改 变，传感器信号就不会显著地改变。因此，程序对应于在根据图2的静态线性 化的情况下的那个程序。

以下，假定传感器头移动速度不断改变，其中可线性地近似源于这种情况 的距离的二次变化。如从图7a和图7b清楚，只有在测量周期到期后才可确定 速度已经改变，因为对于正弦/余弦信号而言，在目前七个时间上等距离的扫 描700后仍然未达成全周期，并且源于这种情况的线性偏差705(即变量s_pol) 不再对应变量t_pol。出于这个原因，图7b中示出的校正曲线710同样不再正确， 但是校正曲线随后可能不再适应。

为了适应变化移动速度，在后续测量周期中，通过据此形成新支持点来使 校正曲线(图7b)延伸。为此，首先线性内插不正确的校正曲线的支持点715。 因此，如此而形成的曲线710对应在过去周期期间的实际线性过程。由于低的 移动速度，曲线点越来越不再适合时间上等距离的测量值。因此，扫描点在周 期内不再均匀分散。

为了确定用于后续周期的新支持点720，从具有t_{pol_n}的现有正确曲线的支 持点715确定用于后续周期t_{pol_n+1}的点。为此，线性内插发生在现有支持点715 之间。在持续时间t_{pol_n+1}内等距离地扫描如此而形成的曲线。继而，经由这些 由此所得的点设定后续周期中使用的线性校正曲线725。替代地，下一周期持 续时间可基于改变最后测量与当前测量之间的周期持续时间来决定，并且因此 (如所述下一周期持续时间被选择那样)以速度外插的方式选择扫描时间。

必须注意，在数目增加的扫描点(即，多于目前七个扫描点)的情况下， 较早校正曲线和新确定的校正曲线增加是相对应的，即，校正误差较低。此外， 在至少两个电气周期内接收支持点是方便的，因为在恒定中断情况下，仅仅两 个周期覆盖磁北极和磁南极。由于经由这两个磁极检测的电气信号是相同的， 因此线性偏差具有磁极的周期性。在恒定外部磁场重叠的情况下，在北磁极和 南磁极处测量的信号不同，使得在这种情况下，线性偏差具有两个磁极的周期 性，即磁极对的周期性。如已解释，在极性灵敏的传感器(例如像霍尔传感器) 的情况下还对两个磁极的电气周期性进行调整。

在移动速度的进一步的延迟的情况下，再次产生类似偏差，如上那样，随 后因此适应所述偏差。由于所适应的校正曲线连续进一步地形成，因此允许对 线性偏差的动态适应。

可借助于所描述的方法补偿所检测的正弦信号和余弦信号的非理想的性 质，例如像与偏移、振幅、谐波和/或相移有关的性质。传感器头与测量主体 之间的间隙越大，磁极宽度必须越大。理想地，正弦信号与余弦信号之间的电 气距离等于90°。由于根据本发明的方法也允许相移的补偿，因此不同宽度的 测量主体也可与单个传感器头一起使用，其中传感器头优选地具有在两个传感 器之间具有固定距离的磁场传感器对。在这种情况下，两个所得信号的相位关 系不超过90°。

这将借助图8a和图8b阐明，这两个图描绘其中相应磁极宽度800、805 不同的两个测量情境。在图8a中，在两个传感器元件820、825之间的距离 810精确地对应于磁极宽度一半，即，对于测量B²的传感器，测量信号电气 距离精确等于90°。然而，图8b中的磁极宽度805增加50％，但是两个传感 器元件820、825之间的距离815保持相同。因此，所测量的(电气)相位<90°。 在图9中，针对这些电气比率描绘所得的传感器信号900、905。利用所描述 的用于线性偏差的动态适应的方法，可在没有线性偏差损失的情况下针对具有 相同传感器头的两个测量主体(图8a和图8b)实施测量。

必须注意，可以永久保存当前有效的支持点，以便因此使它们在测量系统 断电之后再次可用。如果当时磁性比率实质并未改变，那么可在再次通电之后 检测并发射足够精确的测量信号。

此外必须注意，利用根据本发明的方法可降低对传感器信号质量的要求并 且因此还降低对测量主体的技术要求。测量主体必须仍仅供应周期性改变的磁 场，即，交替改变S-N磁极或者改变具有交替场强的磁性相同的磁极；两个相 邻磁极之间磁场由此甚至能够针对指定的影响值、偏移、振幅、相位或谐波中 的一或多个稍做改变。这些条件例如针对线性电机的定子场而被满足，使得定 子场自身可用于位置确定，由此出于成本原因，甚至可以完全省略以上所描述 的测量主体。然而，测量精度由此实质上由定子磁体的定位和磁化强度确定。 在图10中，描绘其中所预期的信号1000、1005。如从图10清楚，正弦信号 与余弦信号之间的相移并不完全是90°，并还存在清楚可辨认的谐波。