技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明適于通過多次轉(zhuǎn)動(dòng)提供輸入部件的角位置的指示的設(shè)備。

背景技術(shù)：

位置指示裝置，如編碼器，用在多種應(yīng)用中，例如，包括檢測操作流體閥所需要的機(jī)械傳動(dòng)致動(dòng)器的位置。絕對編碼器為可以以絕對意義識別輸入部件的位置的編碼器，諸如作為具體角位置。這種編碼器可能掉電，并且在電力恢復(fù)時(shí)將通常仍然能夠以絕對項(xiàng)指示所述位置，即使編碼器在電力斷開的同時(shí)移動(dòng)。多匝絕對編碼器通常包括用于通過多次轉(zhuǎn)動(dòng)確定絕對位置的數(shù)個(gè)齒輪。然而，如果編碼器的檢測裝置碰巧落入中間位置，例如，在兩個(gè)變址位置之間，則測量值可能是模糊的。進(jìn)一步，如果一個(gè)檢測元件出現(xiàn)故障，則整個(gè)編碼器裝置通常將出現(xiàn)故障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實(shí)施例的意圖是解決上述問題中的至少一些。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種適于通過多次轉(zhuǎn)動(dòng)提供輸入部件的角位置的指示的設(shè)備，該設(shè)備包括：

至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件，所述至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件被配置為在使用中根據(jù)輸入部件旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)；

至少一個(gè)檢測裝置，所述至少一個(gè)檢測裝置被配置為測量和輸出所述可旋轉(zhuǎn)部件中的至少一個(gè)的角位置，和

被配置為使用來自所述至少一個(gè)檢測裝置的角位置測量值通過多次轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生所述輸入部件的角位置的指示的裝置，

其中所述可旋轉(zhuǎn)部件被配置為同時(shí)但以不同的速率旋轉(zhuǎn)。

每個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件可以具有關(guān)于其它可旋轉(zhuǎn)部件的任何唯一的轉(zhuǎn)數(shù)比。每個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件可以具有任何唯一(在所述可旋轉(zhuǎn)部件中)的轉(zhuǎn)數(shù)比，并且轉(zhuǎn)數(shù)比的選擇可以不存在任何限制，例如，轉(zhuǎn)數(shù)比不需要被選擇為滿足特定關(guān)系，例如與需要可旋轉(zhuǎn)部件具有整數(shù)基數(shù)的分度位置的解密算法一起工作?？商鎿Q地，可以根據(jù)一個(gè)或多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)數(shù)比的選擇。例如，可旋轉(zhuǎn)部件可以被設(shè)置為使得在所述轉(zhuǎn)數(shù)比之中不存在公因數(shù)(除了1)?？尚D(zhuǎn)部件可以包括具有不同齒數(shù)的齒輪。

在使用中，所述可旋轉(zhuǎn)部件通常以連續(xù)的、非步進(jìn)方式沿著所述輸入部件移動(dòng)。檢測裝置可以提供所述可旋轉(zhuǎn)部件中的一個(gè)或多個(gè)的在360°的范圍內(nèi)絕對位置測量值，例如，采用光學(xué)、磁性或RF檢測技術(shù)。該設(shè)備可以包括A到N個(gè)所述可旋轉(zhuǎn)部件，每個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件具有對應(yīng)的轉(zhuǎn)數(shù)比R_A至R_N，并且其中所述檢測裝置具有被計(jì)算為下式的最大可允許峰值誤差：

在一些實(shí)施例中，所述多個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件中的一個(gè)可以為驅(qū)動(dòng)所有剩余的所述可旋轉(zhuǎn)部件的初級可旋轉(zhuǎn)部件(即，剩余的可旋轉(zhuǎn)部件不去移動(dòng)任何其它可旋轉(zhuǎn)部件)。

所述多個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件中的每一個(gè)可以具有名義上零/初始/起始(旋轉(zhuǎn))位置。產(chǎn)生所述輸入部件的角位置的指示的裝置可以被配置為通過計(jì)算所述可旋轉(zhuǎn)部件已經(jīng)從它們的零位置開始通過多遠(yuǎn)而產(chǎn)生位置指示。由產(chǎn)生所述輸入部件的角位置的指示的裝置進(jìn)行的計(jì)算可以包括使所述可旋轉(zhuǎn)部件中的至少一個(gè)，并且通常全部，虛擬地回繞至它們各自的零位置。產(chǎn)生所述輸入部件的角位置的指示的裝置可以被配置為：

使一序列的可旋轉(zhuǎn)部件(104A)中第一個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件虛擬地回繞(402)至其零位置；隨后

針對除了該序列中的第一個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件之外的每個(gè)所述可旋轉(zhuǎn)部件：

基于該序列中的先前的可旋轉(zhuǎn)部件在虛擬地回繞時(shí)已經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度計(jì)算所述可旋轉(zhuǎn)部件的虛擬地位置，以及

虛擬地回繞該序列中的所述可旋轉(zhuǎn)部件和所有所述先前的查旋轉(zhuǎn)部件，使得它們位于它們的零位置處。

計(jì)算步驟可以采用在該序列中的所述先前的可旋轉(zhuǎn)部件位于它們的零位置處時(shí)表示所述可旋轉(zhuǎn)部件的位置的存儲數(shù)據(jù)，如查找表，以及在所述可旋轉(zhuǎn)部件處于對應(yīng)的所述位置時(shí)表示該序列中的所有先前的可旋轉(zhuǎn)部件已經(jīng)總共多少次通過它們的零位置的數(shù)據(jù)。

可旋轉(zhuǎn)部件可以是以共面或同軸方式設(shè)置的。

包括多于一個(gè)所述檢測裝置的組件被設(shè)置為用于測量單個(gè)所述可旋轉(zhuǎn)部件的位置，使得在該組件中的一個(gè)檢測裝置出現(xiàn)故障時(shí)，則使用該組件中的另一個(gè)檢測裝置代替。

可以不向所述設(shè)備提供恒定功率。在一些實(shí)施例中，檢測裝置測量所述可旋轉(zhuǎn)部件的、由電力未被提供至該設(shè)備時(shí)發(fā)生的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的位置?？梢园ㄓ糜谑沟媚軌蛟谒隹尚D(zhuǎn)部件移動(dòng)時(shí)激活所述檢測裝置的開關(guān)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種通過多次轉(zhuǎn)動(dòng)提供輸入部件的角位置的指示的方法，該方法包括下述步驟：

測量至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件的角位置，所述至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件被配置為在使用中根據(jù)輸入部件旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，所述可旋轉(zhuǎn)部件被配置為同時(shí)但以不同的速率旋轉(zhuǎn)，以及

采用角位置測量值通過多次轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生所述輸入部件的角位置的指示。

該方法還可以包括下述步驟：

在一時(shí)間周期內(nèi)獲取多個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件中的第一個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件的位置測量值；

在該時(shí)間周期獲取多個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件中的另一個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件的位置測量值給定第一個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件的測量位置和所述多個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)之間的已知的關(guān)系，將所述另一個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件的測量位置與所述另一個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件的預(yù)期位置進(jìn)行比較，以及

在所述另一個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件的測量位置不與所述預(yù)期位置對應(yīng)時(shí)，標(biāo)記可能讀數(shù)誤差狀態(tài)。

該方法可以包括通過檢測所述可旋轉(zhuǎn)部件中的至少一個(gè)的角旋轉(zhuǎn)的缺失檢查讀數(shù)誤差的步驟。

該方法可以包括通過采用與單個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件的角位置相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，或可旋轉(zhuǎn)部件的子集的位置的組合，確定輸入部件的絕對位置。該方法可以包括，在檢測到所述可旋轉(zhuǎn)部件中的一個(gè)(或多個(gè))出現(xiàn)故障時(shí)：

測量無故障的所述可旋轉(zhuǎn)部件的角位置，以及

采用無故障的可旋轉(zhuǎn)部件的角位置測量值通過減小的多次轉(zhuǎn)動(dòng)范圍產(chǎn)生所述輸入部件(106)的角位置的指示。

該方法還可以包括下述步驟：

提供與所述可旋轉(zhuǎn)部件中的至少一個(gè)相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)遞增計(jì)數(shù)器，以及

采用來自所述至少一個(gè)遞增計(jì)數(shù)器的輸出，基于至少一個(gè)相關(guān)聯(lián)的可旋轉(zhuǎn)部件的多次轉(zhuǎn)動(dòng)的計(jì)數(shù)，計(jì)算所述輸入部件的位置。

根據(jù)本發(fā)明的可替換方面，提供了一種通過多次轉(zhuǎn)動(dòng)提供輸入部件的角位置的指示的方法，該方法包括下述步驟：

測量多個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件的位置，在使用中，所述多個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件根據(jù)輸入部件的運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)，每個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件具有名義上零/初始/起始(旋轉(zhuǎn))位置，以及

計(jì)算可旋轉(zhuǎn)部件已經(jīng)從它們的零位置通過多遠(yuǎn)以產(chǎn)生輸入部件多轉(zhuǎn)動(dòng)角位置指示。

還可以提供一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其被配置為大致如在本文中描述的方法的至少一部分。

本發(fā)明擴(kuò)展至本文中描述的任何特征，或特征的任何組合，無論在本文中是否明確描述該組合。

附圖說明

可以以多種方式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，僅參照附圖描述或圖示了一個(gè)示例，在附圖中：

圖1為部分組裝的示例性實(shí)施例的平面圖；

圖2為該示例性實(shí)施例的分解圖；

圖3為示例性實(shí)施例中的檢測元件示意圖；

圖4為示出該實(shí)施例的操作的流程圖，包括位置計(jì)算步驟和齒輪”虛擬地回繞”步驟；

圖5詳述位置計(jì)算步驟；

圖6詳述齒輪”虛擬地回繞”步驟；

圖7A-7D涉及該實(shí)施例的操作的處理過的示例；

圖8A和8B圖示該裝置的可旋轉(zhuǎn)部件的角測量的示例，以及

圖9為示出包括遞增計(jì)數(shù)器的設(shè)備的操作的流程圖。

具體實(shí)施方式

參照圖1和2，示出示例性位置指示裝置100。該裝置包括殼體基板102，可旋轉(zhuǎn)部件104A-104D可以裝配在該殼體基板102上。在該示例中，具有四個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件，其采取齒輪104A-104D的形式。然而，將會認(rèn)識到，可以使用其它類型的可旋轉(zhuǎn)部件，并且它們不需要包括用于直接彼此驅(qū)動(dòng)的諸如齒之類的結(jié)構(gòu)。

第一齒輪104A可以視為包括驅(qū)動(dòng)其它三個(gè)齒輪104B-104D的初級齒輪，即三個(gè)其它齒輪104B-104D僅與第一齒輪104A的齒嚙合，但彼此不嚙合。第一齒輪由輸入齒輪106驅(qū)動(dòng)，輸入齒輪106可以跟隨輸入部件旋轉(zhuǎn)，例如，該輸入部件可以為一列閥致動(dòng)器(參見圖3)。因此，第一齒輪104A由輸入齒輪106直接驅(qū)動(dòng)，而其它三個(gè)齒輪104B-104D由輸入齒輪(經(jīng)由第一齒輪104A)間接驅(qū)動(dòng)。將會認(rèn)識到，在其它實(shí)施例中，所述齒輪中的多于一個(gè)，或全部，可以由輸入齒輪直接驅(qū)動(dòng)。

示例裝置100裝配有處于它們的正確的“零位置”的齒輪104A-104D。為了對此進(jìn)行輔助，所述齒輪(和/或殼體部件)中的一個(gè)或多個(gè)可以包括標(biāo)記。在該示例中，第一齒輪104包括三個(gè)箭頭形式的標(biāo)記。這些標(biāo)記的目的是與其它齒輪104B-104D上的對應(yīng)標(biāo)記的箭頭對齊。此外或可替換地，“零位孔”107A-107D可以設(shè)置在齒輪上，其可以與基板102上的對應(yīng)的標(biāo)記/凹部123B-123D(在圖2中可以看到一些)對齊。夾具(未示出)可以用來輔助組裝。條形碼標(biāo)記111可以裝配在裝置100以及上部泡沫填料116中。

在示例裝置中，齒輪和殼體部件包括模制塑料部件。由于對該裝置中的反沖的高度容許及其低的精度要求，可以使用這種低成本部件；然而，將會理解，可以使用其它材料，并且該裝置的結(jié)構(gòu)和尺寸可以不同于圖示的示例。具有如在圖示的示例中一樣的齒輪104A形式的單個(gè)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，具有減少反沖的影響的益處；然而，將會認(rèn)識到，可以采用其它結(jié)構(gòu)，如，彼此驅(qū)動(dòng)的齒輪系。

返回圖1和圖2中圖示的示例，四個(gè)齒輪104A-104D中的每一個(gè)都裝配有對應(yīng)的傳感器兼容部件110A-110D，例如，用于磁性檢測裝置的磁鐵。隔離片108裝配在齒輪和部件110之間。上殼體板113裝配在所述部件上方，并且它還容納印刷電路板114。該電路板包括用作檢測裝置(在114A處示意性地示出)的電路，該檢測裝置可以檢測傳感器兼容部件110A-110D的位置且從而在360°范圍內(nèi)提供四個(gè)齒輪的絕對位置測量值。檢測配置可以基于任何角檢測技術(shù)，例如，光學(xué)的、磁性的或RF。RF和磁性傳感器還提供內(nèi)置故障檢測：如果磁鐵從齒輪上分離或退磁，則傳感器可以檢測這種分離或退磁。同樣可行的是采用提供模擬輸出的傳感器裝置。

將會理解，在可替換實(shí)施例中，可旋轉(zhuǎn)部件可以包括集成式傳感器兼容部件，或可以由傳感器以另一種方式，如通過視覺識別角位置，例如，通過檢測可旋轉(zhuǎn)部件的表面上的標(biāo)記，確定它們的角位置。將會認(rèn)識到，在可替換實(shí)施例中，檢測裝置和/或處理器可以遠(yuǎn)離裝置的其它部件定位，例如，通過無線RF信號傳遞信號。在其它實(shí)施例中，檢測裝置可以置入可旋轉(zhuǎn)部件/齒輪中?？梢詫D中示出的示例裝置100產(chǎn)生其它變化。例如，可以以同軸而不是共面方式(或同軸/共面的組合，或任何其它配置)設(shè)置可旋轉(zhuǎn)部件，這可以帶來尺寸減小/設(shè)計(jì)益處。

如下文將描述的那樣，電路114還包括處理器(在114B處示意性地示出)，該處理器被配置為采用檢測裝置測量值通過多次轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生輸入部件106的位置指示。雖然在該示例中顯示數(shù)字電子處理器，但將會認(rèn)識到，它提供的功能可以由合適的模擬部件/電路執(zhí)行。

可以包括機(jī)械開關(guān)以使得能夠在檢測元件/齒輪已經(jīng)開始移動(dòng)之后激活電子檢測。該開關(guān)可以被機(jī)械地或磁性地激活，并且因此不需要將恒定功率供給至該裝置，因此潛在地降低該裝置的整體功耗。在加電之后，該裝置可以檢測在電力斷開時(shí)發(fā)生的任何運(yùn)動(dòng)，并采用測量值提供位置指示。示例裝置包括齒輪113形式的磁性“喚醒”開關(guān)，該齒輪113在齒輪系旋轉(zhuǎn)時(shí)旋轉(zhuǎn)，并且可以用于觸發(fā)至該裝置的電力供給，但將會認(rèn)識到，可以提供可替換的配置。

該裝置中的可旋轉(zhuǎn)部件可以被配置為以不同的速率旋轉(zhuǎn)。在示例裝置100中，這是通過在齒輪104A-104D上設(shè)置不同數(shù)量的齒實(shí)現(xiàn)的。然而，將會認(rèn)識到，這可以通過不同的手段實(shí)現(xiàn)。例如，提供具有不同尺寸(如，半徑或周長)的內(nèi)部接合的可旋轉(zhuǎn)部件會產(chǎn)生具有不同的轉(zhuǎn)數(shù)比的部件。進(jìn)一步，可以使用未彼此直接接合/驅(qū)動(dòng)的可旋轉(zhuǎn)部件，如多個(gè)盤，該部件可以由輸入部件直接驅(qū)動(dòng)，或者通過帶或鏈條傳動(dòng)裝置或任何其它齒輪機(jī)構(gòu)連接在一起。

將通過在旋轉(zhuǎn)部件的重復(fù)圖案出現(xiàn)之前計(jì)算首先被分析的或“初級”部件的最大匝數(shù)而確定該裝置的工作范圍，在該重復(fù)圖案出現(xiàn)時(shí)，不再根據(jù)所述部件的單獨(dú)的位置確定絕對位置。這可以被計(jì)算為使該裝置從其參考位置開始旋轉(zhuǎn)直到它返回該位置所需要的匝數(shù)。為了改進(jìn)該工作范圍，可以增加轉(zhuǎn)數(shù)比的最小函數(shù)。

例如，在其中該裝置包括兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件A和B的簡單情況中，如果兩個(gè)部件的轉(zhuǎn)數(shù)比分別為10和20，則這些轉(zhuǎn)數(shù)比的公因數(shù)為10，并且因此可以被簡化為1∶2比率。這種組件可以僅用來通過兩匝給出位置指示。然而，如果齒輪B被選擇為具有21個(gè)齒而不是20個(gè)，則將不具有這種公因數(shù)，并且最簡單的表達(dá)式將保持為10∶21。假設(shè)存在這種關(guān)系，如果A將旋轉(zhuǎn)兩次，則部件B將從其零位置移動(dòng)至位置342.9°(720°×10/21)。當(dāng)兩個(gè)部件都不處于它們的參考位置并且該裝置還未返回至其整體起始位置時(shí)，該裝置的范圍可以被計(jì)算為部件A在部件B處于零位置時(shí)必須旋轉(zhuǎn)的次數(shù)，即21匝。當(dāng)部件B已經(jīng)精確地旋轉(zhuǎn)10圈時(shí)，A和B都將為零，并且該裝置將處于其整體起始位置。

在常規(guī)多匝絕對編碼器配置中，在所述部件之間存在機(jī)械分度機(jī)構(gòu)，該機(jī)械分度機(jī)構(gòu)在先前的部件的限定的旋轉(zhuǎn)之后遞增每一個(gè)，即如果一部件已經(jīng)被變址某些次數(shù)，則先前的部件將已經(jīng)旋轉(zhuǎn)已知的量。然而，在連續(xù)地移動(dòng)(沿著輸入部件)本文中描述的非步進(jìn)位置-提供裝置中不存在這種分度機(jī)構(gòu)；確切地說，該裝置的實(shí)施例可以具有虛擬分度機(jī)構(gòu)，其可以采用下述解密算法的形式。為每個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件定義參考(或起始/初始/零)位置，并且這些參考位置可以位于360°可能的旋轉(zhuǎn)中的任何位置，假設(shè)每個(gè)部件以所有的部件可以同時(shí)處于它們的參考位置的方式移動(dòng)。這將通常限定該裝置的整體零位置。

這種“虛擬分度機(jī)構(gòu)”具有獲得幾乎任意查找位置測量值并且允許對它們進(jìn)行解碼以提供實(shí)際位置的指示的效果。在常規(guī)分度機(jī)構(gòu)中，按順序測量每個(gè)部件，取決于該分度機(jī)構(gòu)，每個(gè)部件將占該位置的一定比例。該信息在讀取所述部件時(shí)是立即可用的；然而，在本裝置的實(shí)施例中，可以不具有這種明顯的關(guān)系。為了對位置進(jìn)行解碼，按順序檢測每個(gè)部件并且隨后進(jìn)行解碼。必須使用初級部件以發(fā)現(xiàn)下一個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件的“回繞”位置。該計(jì)算步驟提供與輸入部件的絕對位置直接相關(guān)的信息。為了獲得該絕對位置，測量可旋轉(zhuǎn)部件的角位置，并且隨后進(jìn)行計(jì)算以發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)基值，以便進(jìn)行下一次計(jì)算，等等。

參照圖3，給出四個(gè)齒輪104A-104D的齒數(shù)的示例如下：齒輪104A：22個(gè)齒，齒輪104B：26個(gè)齒，齒輪104C：34個(gè)齒，齒輪104D：36個(gè)齒，并且因此齒輪104A-104D的轉(zhuǎn)數(shù)比的最小應(yīng)變量分別為11、13、17和18。示例性轉(zhuǎn)數(shù)比意味著齒輪104A將以齒輪104B的速度的13/11倍的速度旋轉(zhuǎn)，齒輪104D將以齒輪104C的速度的17/18倍的速度旋轉(zhuǎn)等等。這些轉(zhuǎn)數(shù)比不具有整數(shù)公因數(shù)；然而，例如，如果轉(zhuǎn)數(shù)比為11、13、15和18，則代替的是，將存在公因數(shù)3(針對15和18)，這將對齒輪一起移動(dòng)的方式和輸入部件在重復(fù)位置順序出現(xiàn)之前可以旋轉(zhuǎn)多遠(yuǎn)存在影響，因此將減小絕對范圍。

當(dāng)?shù)谝积X輪104A用作初級測量齒輪時(shí)，該齒輪的最大匝數(shù)等于其它齒輪104B-104D的最小應(yīng)變量之積，從最大匝數(shù)可以獲得該機(jī)構(gòu)的絕對位置。因此，通常，n個(gè)齒輪(表示為A，B，C，...，n)的組合可以用來確定X匝范圍內(nèi)的絕對齒輪位置。如果第一齒輪104A用作初級測量齒輪，則可以由下述等式確定該裝置的絕對位置范圍：

X＝B×C×D...×n

其中B，C，D，...n為每個(gè)齒輪之間的轉(zhuǎn)數(shù)比的最小應(yīng)變量，并且在所有被檢測元件的轉(zhuǎn)數(shù)比的最小應(yīng)變量之間不存在公倍數(shù)。因此，對于圖3的示例，X＝3978(13×17×18)。在另一個(gè)示例中，四個(gè)齒輪上的齒數(shù)為：齒輪104A：7個(gè)齒，齒輪104B：11個(gè)齒，齒輪104C：13個(gè)齒，齒輪104D：15個(gè)齒，在該情況中X＝2145。

為了獲得輸入部件106的總旋轉(zhuǎn)次數(shù)，每個(gè)齒輪104A-104D虛擬地“回繞”至它們的零位置。在這種做的同時(shí)，記錄總旋轉(zhuǎn)次數(shù)以便它可以與輸入部件的位置相關(guān)聯(lián)。在示例裝置中，首先記錄第一齒輪104A的旋轉(zhuǎn)讀數(shù)。因此，通過記錄該裝置中的所有齒輪已經(jīng)旋轉(zhuǎn)多遠(yuǎn)，能夠計(jì)算輸入部件的當(dāng)前多匝位置。將會認(rèn)識到，齒輪通常不是實(shí)體地回繞的；例如，可以使用意圖用于計(jì)算運(yùn)動(dòng)/旋轉(zhuǎn)次數(shù)的軟件/固件模擬，或者具有該功能的任何機(jī)電或電子實(shí)施方案。

參照圖4，示出計(jì)算總旋轉(zhuǎn)次數(shù)的示例方法的流程圖。在接下來的描述將使用下述符號，齒輪104A-104D分別被稱為“A”-“D”：

：齒輪A位置

：齒輪B位置

：齒輪C位置

：齒輪D位置

P_R：初級比(在圖3的示例中為1∶2，即，輸入列的兩次旋轉(zhuǎn)＝初級齒輪A的1次旋轉(zhuǎn))

R_A：齒輪A齒比(在該示例中為11，即，去除任何公因數(shù)的齒輪齒數(shù))

R_B：齒輪B齒比(在該示例中為13)

R_C：齒輪C齒比(在該示例中為17)

R_D：齒輪D齒比(在該示例中為18)

θ_總：總齒輪A匝數(shù)

θ_A：從A開始回繞的齒輪A匝數(shù)

θ_B：從B開始回繞的齒輪A匝數(shù)

θ_C：從C開始回繞的齒輪A匝數(shù)

θ_D：從D開始回繞的齒輪A匝數(shù)

X_B：從B開始的零循環(huán)數(shù)

X_C：從C開始的零循環(huán)數(shù)

X_D：從D開始的零循環(huán)數(shù)

在步驟402處，初級齒輪104A虛擬地“回繞”至其零位置。實(shí)現(xiàn)這種回繞所需要的旋轉(zhuǎn)次數(shù)對應(yīng)于其當(dāng)前位置并且因此

在步驟404處，與該裝置中的下一個(gè)齒輪相關(guān)的分析開始。按順序考慮齒輪，從(在齒輪A之后)具有最少齒數(shù)的齒輪開始，按順序發(fā)展到具有最大齒數(shù)的齒輪，雖然可以采用任何順序。因此，在這些步驟的第一次迭代中，將分析齒輪B。在流程中示出并在下文涉及的公式中，字母N用來涉及所考慮的“當(dāng)前”齒輪。在步驟406處，計(jì)算齒輪B的位置。圖5圖示該計(jì)算中涉及的步驟。在步驟502處，先前的回繞距離和齒輪比用來采用圖5中示出的通式計(jì)算齒輪B的新的位置應(yīng)用于齒輪B的通式變?yōu)椋?/p>

Φ_B＝(θ_A)×(R_A/R_B)

Φ_B將用于如下所述的查找表，以確定已經(jīng)發(fā)生多少次零序交叉。

在步驟504處，轉(zhuǎn)換使得它們落入零和最大位置之間。這種轉(zhuǎn)換是環(huán)繞操作，以便輸出0.0和360.0°之間的位置。例如，如果測量值為345.0°并且轉(zhuǎn)數(shù)比為R_A＝23且R_B＝21，則將為345×23/21＝377.86°并且因此通過減去360°到17.86°而被卷繞。θa可以大于360°

返回圖4，在步驟408處，齒輪B“回繞”至其零位置。圖6詳述該操作中涉及的步驟。在步驟602處，采用(下文將描述的)查找表找到齒輪的旋轉(zhuǎn)貢獻(xiàn)指數(shù)(即，該序列中所有先前的齒輪已經(jīng)總共多少次通過它們的零位置)X_N。在步驟604處，采用圖6中示出的通式計(jì)算初級齒輪(A)由于當(dāng)前齒輪至其零位置的回繞引起的運(yùn)動(dòng)。

返回圖4，在步驟410處，進(jìn)行關(guān)于是否已經(jīng)分析該裝置中的所有齒輪的檢查。如果還未分析該裝置中的所有齒輪，則控制返回步驟404，其中為齒輪C(并且隨后為齒輪D)進(jìn)行上述步驟406-408。如果已經(jīng)分析了所有的齒輪，則控制從步驟410經(jīng)過到步驟412，其中計(jì)算輸入欄的總旋轉(zhuǎn)。這可以通過采用總初級齒輪(A)旋轉(zhuǎn)度數(shù)和初級比計(jì)算輸入部件的絕對位置而實(shí)現(xiàn)：

位置＝初級比×(θ_A+...+θ_N)

現(xiàn)在將參照圖7A-7D給出處理示例。圖7A示出當(dāng)進(jìn)行絕對位置的測量時(shí)處于給定狀態(tài)702A的齒輪A-D。如上所述，第一步驟(圖4的步驟402)是使初級齒輪A“回繞”至零，如在702B處示意性地/概念性地示出的那樣(齒輪盤上的圓圈表示其當(dāng)前位置，并且所有的零位置都處于0°)。這可以通過在記錄旋轉(zhuǎn)值的同時(shí)獲取齒輪A的當(dāng)前位置并將回繞至零而實(shí)現(xiàn)。例如，如果齒輪A位于位置57.43°，則回繞它等同于將它轉(zhuǎn)動(dòng)-57.43°。在知道齒輪A已經(jīng)在概念上旋轉(zhuǎn)該角度之后，能夠基于齒輪比算出其它齒輪已經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)多遠(yuǎn)。

接下來，當(dāng)齒輪A在其概念上的零位置處返回時(shí)，基于齒輪比和齒輪A在概念上轉(zhuǎn)動(dòng)的量計(jì)算下一個(gè)齒輪(齒輪B)的位置。齒輪B隨后在概念上回繞，使得兩個(gè)齒輪A和B都位于它們的零位置處，如在圖7B中的704處示意性地示出的那樣。這可能涉及齒輪B的數(shù)次旋轉(zhuǎn)，因?yàn)楫?dāng)該系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪移動(dòng)時(shí)，所有的齒輪都旋轉(zhuǎn)。該過程繼續(xù)，直到整個(gè)齒輪系在概念上返回到其零位置處。

由于齒輪A已經(jīng)返回，計(jì)算齒輪B的新的位置(步驟406)。這可以通過獲得使齒輪A返回其零位置所需要的總旋轉(zhuǎn)次數(shù)并應(yīng)用齒輪比進(jìn)行，以獲得齒輪B中的變化。由于該值表示旋轉(zhuǎn)位置，通過零或完整轉(zhuǎn)動(dòng)必須被處理：

這是齒輪A在齒輪B到達(dá)其零位置(步驟408)時(shí)必須再次旋轉(zhuǎn)以到達(dá)其零位置的次數(shù)。該值被記錄并添加至來自回繞齒輪A的旋轉(zhuǎn)。

用于滾動(dòng)每個(gè)后續(xù)齒輪的程序等同于使齒輪B返回的程序：每一個(gè)都基于回繞先前的齒輪之后的位置和多個(gè)齒輪之間的轉(zhuǎn)數(shù)比。首先根據(jù)齒輪A迄今為止的總回繞旋轉(zhuǎn)讀數(shù)計(jì)算齒輪C的位置，并且同時(shí)據(jù)此，查找表用來發(fā)現(xiàn)先前的齒輪A和B已經(jīng)移動(dòng)通過零的次數(shù)。該次數(shù)隨后用來發(fā)現(xiàn)第一齒輪A必須旋轉(zhuǎn)多少以使齒輪A，B和C都位于它們的零位置(在圖7C中在706處示意性地示出)。這種移動(dòng)值是齒輪A和B總共位于零位置的次數(shù)乘以齒輪B的運(yùn)動(dòng)的相對比(在該示例中為13)。這些次數(shù)源自對使齒輪A和B一起位于它們的零位置的需求；因此，齒輪A必須移動(dòng)13的多倍以將齒輪B保持在其零位置。一旦這個(gè)過程完成，則齒輪A，B和C都應(yīng)當(dāng)位于零，并且隨后分析齒輪D：

${\mathrm{\φ}}_C={\mathrm{\φ}}_C-\left(\right({\mathrm{\θ}}_A+{\mathrm{\θ}}_B)\×\frac{R_A}{R_C})$

θ_C＝X_C×R_B

用于分析齒輪D的過程等同于齒輪C的過程，除了第一齒輪還必須以17的倍數(shù)移動(dòng)以結(jié)合齒輪C必須保持在零處的事實(shí)：

θ_D＝X_D×R_B×R_C

一旦所有的齒輪A-D都虛擬地回繞至它們的零位置(在圖7D中在708處示意性地示出)，則最后的步驟是從每個(gè)回繞齒輪回顧第一齒輪的總旋轉(zhuǎn)度數(shù)并合并它們，且隨后采用初級比將該值與輸入部件相關(guān)聯(lián)，即：

θ_總＝θ_A+θ_B+θ_C+θ_D

絕對位置＝P.R.×θ_總

如上所述，查找表可以用來找到該裝置中的先前齒輪已經(jīng)通過它們的零位置的次數(shù)，以針對特定齒輪計(jì)算當(dāng)前位置。隨后可以將所關(guān)注的齒輪的“回繞”位置與這些存儲位置和用來給出先前齒輪零序的數(shù)量的對應(yīng)位置進(jìn)行比較。將會認(rèn)識到，這是任選的，并且可以通過另一種數(shù)學(xué)方法或以另一種方式存儲的數(shù)據(jù)確定零位置通過。以下給出用于圖3的示例裝置的示例性查找表：

該表中的用于每個(gè)齒輪B-D的左手欄示出該序列/順序(A，B和C)中的先前齒輪都位于它們的零位置時(shí)該齒輪的位置。該齒輪的表中的右手欄示出在該齒輪處于在左手欄中指示的對應(yīng)位置時(shí)，所有先前齒輪總共已經(jīng)多少次通過它們的零位置的。采用該表，因此能夠通過將計(jì)算的齒輪位置與理論位置進(jìn)行比較并匹配最接近的值而發(fā)現(xiàn)先前齒輪已經(jīng)通過的零位置的數(shù)量。重要的是，注意到，如果齒輪比下一個(gè)最大值更接近完整旋轉(zhuǎn)，即1，則這被處理為完整旋轉(zhuǎn)，并且因此零位置。

通過移動(dòng)齒輪通過它們的零位置并且針對每次循環(huán)記錄齒輪的位置直到它重復(fù)，可以產(chǎn)生該查找表。這可以例如通過執(zhí)行軟件模擬進(jìn)行。詳細(xì)地，計(jì)算查找表中的齒輪B部分是移動(dòng)通過齒輪A的零循環(huán)的問題，因?yàn)檫@是齒輪B之前的僅有的齒輪。在其重復(fù)之前，齒輪B將具有對于A的每個(gè)零位置的13個(gè)不同的位置；在齒輪A的13次完整旋轉(zhuǎn)之后，齒輪A和B都將再次一起位于它們的零位置處。示例性計(jì)算如下：

齒輪A零循環(huán)＝2，

${\mathrm{\φ}}_B=2\×\frac{11}{13}$

φ_B＝1.6923→φ_B＝0.6923

通常：

${\mathrm{\φ}}_B={\mathrm{Zeros}}_A\×\frac{R_A}{R_B}$

計(jì)算用于齒輪C的表類似于用于齒輪B的表；然而，在該序列循環(huán)之前，現(xiàn)在將計(jì)算17個(gè)總位置。零循環(huán)也必須包括齒輪B。通式為：

${\mathrm{\φ}}_C={\mathrm{Zeros}}_{AB}\×\frac{R_A\×R_B}{R_C}$

齒輪D遵循該邏輯順序，并且現(xiàn)在具有18個(gè)唯一位置，并且零循環(huán)包括C。用于齒輪D的等式：

${\mathrm{\φ}}_D={\mathrm{Zeros}}_{ABC}\×\frac{R_A\×R_B\×R_C}{R_D}$

將會理解，可以以任何序列分析可旋轉(zhuǎn)部件(如，沒有必要從齒輪104A開始)。可以以任何順序進(jìn)行該分析，只要已經(jīng)針對合適的序列計(jì)算出查找表。

當(dāng)單獨(dú)的齒輪位置的測量值的測量誤差變得太大時(shí)，該算法會返回不正確的值。在此之前，該裝置中的誤差將是第一測量齒輪的測量誤差乘以初級比。

檢測裝置在該算法出現(xiàn)故障之前的最大可允許峰值誤差可以被計(jì)算為：

因此，對于在該示例中采用的齒輪比，不需要高精確傳感器。傳感器的精度可以相對低，因?yàn)樗鼈儍H需要滿足180°/(R_A+R_N)最大誤差要求。位置的分辨率隨后僅取決于所選擇的第一齒輪。這可以允許使用‘n-1’個(gè)低精度傳感器和一個(gè)非常高精度的傳感器來提供具有非常高精度的高匝數(shù)、多匝位置-提供裝置。

當(dāng)不再有把握知曉具有最大比的可旋轉(zhuǎn)部件且因此每個(gè)零序計(jì)算位置之間的最小旋轉(zhuǎn)距離時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)該裝置的最大誤差預(yù)算。這將在該部件上的總誤差大于兩個(gè)先前部件的零序位置之間的除以2的距離時(shí)出現(xiàn)，因?yàn)榇藭r(shí)所計(jì)算的“回繞”位置將更接近錯(cuò)誤的查找表位置。

作為這種問題的形象化，每個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件(除了初級部件)可以在概念上分成多段。這些段中的每一個(gè)表示可以將“回繞”位置視為與如在查找表列出的先前部件零序的對應(yīng)數(shù)量相關(guān)聯(lián)所針對的位置范圍。在圖8A中示出具有21段的示例性可旋轉(zhuǎn)部件，合適的段由對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)貢獻(xiàn)指數(shù)標(biāo)記?？尚D(zhuǎn)部件被示出為位于其參考位置，在0段的精確中心中。理論上，應(yīng)當(dāng)總是在位置中測量部件，從而使用回繞的先前部件計(jì)算的“計(jì)算位置”階段將返回在所述段中的一個(gè)的精確中心中的值，即，對應(yīng)于來自查找表的位置。然而，當(dāng)誤差引起該計(jì)算位置漂移進(jìn)入相鄰段中時(shí)，輸出誤差將存在明顯的增加，因?yàn)橄惹安考阄恢眯蛄袑撛诘孛黠@地變化。在圖8B中圖示了這種角誤差。

考慮兩種主要誤差形式，測量誤差和機(jī)械誤差(反沖)，通過考慮從最高比部件的分析返回的零序的值不正確時(shí)的時(shí)刻，可以發(fā)現(xiàn)最大可允許誤差。反沖將對與初級部件相關(guān)的位置具有直接的影響；然而，測量誤差以兩種方式影響結(jié)果。第一種方式是通過簡單地破壞在該部件上測量的值，第二種方式是通過破壞初級部件的值，初級部件隨后在第一計(jì)算階段，即在初級部件“回繞”時(shí)，被轉(zhuǎn)化成被分析部件。如果這不正確，則在計(jì)算被分析部件的最后已知的先前部件零序位置時(shí)，在來自真實(shí)值的計(jì)算之間存在其它差異。

以數(shù)學(xué)條件，可以如下表示可允許誤差：

其中E_N為所分析的部件的測量誤差，N，E_A為初級部件的測量誤差，B_AN為初級部件和N之間的偏移。

可以被認(rèn)為是該裝置中的總誤差，其中作為誤差極限。如果該總誤差不大于所有部件的誤差極限，則解碼將不工作。

可以在該裝置中引入誤差的另一種方式是測量每個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件之間的時(shí)延。如下，這將另一個(gè)條件引入該式：

其中Td_N為測量n的時(shí)延，Td_A為測量初級部件的時(shí)延，v_N為N的旋轉(zhuǎn)速度，v_A為測量N的時(shí)延。通過采用對稱讀取算法可以消除這種類型的誤差，其中將每個(gè)部件的測量值及時(shí)設(shè)置在單個(gè)點(diǎn)周圍。這消除了在每個(gè)測量值有效地按時(shí)位于同一點(diǎn)時(shí)(假設(shè)恒定運(yùn)動(dòng))引起解密算法失敗的影響。然而，這種方法仍容易受到來自加速度的影響，但影響它所需要的加速度將極其大，因?yàn)樵趯?shí)際中，所述時(shí)延非常小。

在該裝置的一些實(shí)施方案中，存在所有的可旋轉(zhuǎn)部件可能都不能同時(shí)定位在參考位置處的可能性。這例如會在不存在確保將部件組裝在正確的相對位置的固定方式時(shí)發(fā)生。存在試圖確保這不會發(fā)生的多種方式，如采用具有等于回轉(zhuǎn)的最小應(yīng)變量的齒輪(如，在具有比10、21和17的三個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件示例中)，如果這些齒輪是具有10、21和17個(gè)齒的齒輪，以及采用用于驅(qū)動(dòng)配置的恰當(dāng)對準(zhǔn)的傳感器。這種配置將確保部件總是放置在整個(gè)段間隔中，從而如果存在20、42和34個(gè)齒，則將能夠通過半段放置齒輪出來。這種問題的一種可能的解決方案是具有意圖防止不正確的組裝工藝，例如，固定機(jī)械結(jié)構(gòu)可以用作將不允許不合適的組裝的引導(dǎo)件，或可以使用諸如上述105或107的多個(gè)引導(dǎo)件/構(gòu)成?？商鎿Q的解決方案是，在第一次給該裝置加電時(shí)，進(jìn)行測量，并且可以根據(jù)該位置采用“回繞”計(jì)算階段和可旋轉(zhuǎn)部件的已知的組裝位置計(jì)算可旋轉(zhuǎn)部件的配置。

為了處理一個(gè)或多個(gè)傳感器出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)，可以設(shè)置與可旋轉(zhuǎn)部件中的一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)冗余傳感器，以便在特定傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，可以代替使用冗余傳感器。這例如可以采用RF和磁性傳感器實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榇艌龊蚏F場滲透大的面積。冗余傳感器可以定位在可旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)軸線的相對側(cè)，或者可以定位在如初級傳感器和該部件之間的任何位置處，或者在初級傳感器之后。在這種技術(shù)對于特定實(shí)施例不可行時(shí)，則替換方案是丟棄故障傳感器的讀數(shù)并使該裝置在減小的絕對范圍內(nèi)操作。采用在圖1和2的傳感器104B上檢測的故障的示例，該裝置將基于剩余三個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件104A、104C和104D采用所述讀數(shù)。這將意味著它的范圍將減??；然而，這可以足以用于一些應(yīng)用。在該模式中，可能需要基于剩余的可旋轉(zhuǎn)部件之間的關(guān)系產(chǎn)生/使用新的查找表。

在這種范圍減小的模式中，可能需要在通?？赡艿难h(huán)多的循環(huán)范圍內(nèi)擴(kuò)展該裝置的范圍。為了這樣做，遞增計(jì)數(shù)器(如，在圖2中在114C處示意性地示出)可以用來跟蹤該系統(tǒng)已經(jīng)通過其全部范圍的次數(shù)。在該故障模式中，如果裝置在斷電的情況下已經(jīng)移動(dòng)相當(dāng)大的量(如，大于減小的范圍的一半)時(shí)，該設(shè)備會失去它的在電力恢復(fù)時(shí)有把握提供精確的位置讀數(shù)的能力。

在圖9中示出處于這種范圍減小模式中的裝置的操作的示例。在該模式中，如果遞增計(jì)數(shù)丟失，則不能由該裝置絕對地限定位置。在步驟902處，獲得可旋轉(zhuǎn)部件中的仍在使用中的一個(gè)的絕對測量值。在步驟904處，通過將如由遞增計(jì)數(shù)器記錄的所述部件的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)添加到絕對測量值，計(jì)算該部件的真實(shí)位置。在步驟906處，進(jìn)行檢查以查看當(dāng)前測量的值和在先前迭代處測量的值之間的差異是否大于該裝置的除以2的范圍。如果不是這樣，則控制返回步驟902；否則在步驟908處，計(jì)數(shù)器遞增，并且隨后控制再次轉(zhuǎn)到步驟902。

當(dāng)所有的齒輪同時(shí)但以不同的速率轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過查看齒輪的任何組合可以確定絕對位置的減小的范圍。這提供內(nèi)置冗余和/或檢查讀數(shù)誤差的能力。如上所述使用遞增計(jì)數(shù)器的能力可以在任何時(shí)刻僅測量一個(gè)部件的位置時(shí)提供增加的測量速度。

常規(guī)機(jī)械分度系統(tǒng)的缺點(diǎn)是，如果在一個(gè)部件中存在故障并且它不像它應(yīng)當(dāng)進(jìn)行的那樣更新，則這是幾乎不可能檢測到的。采用連續(xù)移動(dòng)配置的情況下，如在本設(shè)備的實(shí)施例中的情況一樣，相對簡單地檢測故障。當(dāng)所有的運(yùn)動(dòng)比率已知時(shí)，能夠在數(shù)個(gè)樣品的進(jìn)程中檢測該裝置的一部分中的故障。在每個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件的兩次采樣之后，能夠告知每個(gè)部件已經(jīng)移動(dòng)多遠(yuǎn)，假設(shè)這些樣品不是在數(shù)次迭代之后獲得的。據(jù)此，在所有的運(yùn)動(dòng)比率都被限定時(shí)，能夠推導(dǎo)每個(gè)部件應(yīng)當(dāng)移動(dòng)多遠(yuǎn)。

齒輪的多個(gè)子集可以用于在減小的范圍的自查。在這種配置中，后續(xù)檢測到的部件/齒輪可以用來驗(yàn)證精度，并檢查在所選擇的被檢測部件中的讀數(shù)誤差。進(jìn)一步，在這種配置中，該裝置可以記錄的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)不受限制。由于在任何一個(gè)時(shí)刻處僅讀取一個(gè)齒輪，使用具有遞增計(jì)數(shù)器的單個(gè)被檢測元件的能力提供了增加測量速度的優(yōu)點(diǎn)。該裝置也可以被配置為提供采用全部可旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行測量的選項(xiàng)，以確認(rèn)輸入部件的位置。

該裝置可以被配置為自動(dòng)切換到上述“冗余模式”中的一種，或者可以允許用戶設(shè)置該模式。

通過增加所選擇的第一部件(如，在該示例中為104A，雖然所選擇的檢測元件不必是齒輪系中的第一齒輪)的分辨率，可以增加裝置100的分辨率。這可以使得能夠操作到傳感器的輸入比，以獲得進(jìn)行測量所需要的最終轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)和所希望的必要精度之間的所需要的平衡。通過改變初級比，可以增加該裝置的范圍，以降低分辨率的成本產(chǎn)生裝置組件。

該裝置可以繼續(xù)計(jì)算其絕對范圍之外的位置；它將在點(diǎn)處卷繞，但在一些應(yīng)用中這是可以容忍的。