CN1940481A - 用于旋转装置的相位检测器 - Google Patents

Abstract

公开了非常精确的旋转相位检测系统，其具有用31位伪随机M序列编码的第一和第二盘，第一和第二盘附着到可旋转地连接的构件。在所公开的实施例中，通过将盘划分成31个区和勾画盘周长的轮廓，以便对应于“1”的区具有较大半径以及对应于“0”的区具有较小半径，实现编码。在第一和第二盘的外围附近放置传感器，例如电感近程传感器，其检测编码伪随机序列以及周期性地采样(例如以50kHz)以便生成第一和第二检测序列。处理第一和第二检测序列以便去除噪声并处理到+1和－1间的范围，然后互相关以便确定附着的旋转构件间的旋转相位关系。

Description

用于旋转装置的相位检测器

技术领域

本发明涉及用于旋转机械部件的相位检测器，以及更具体地说，涉及旋转构件间的旋转相位关系的非常精确的检测。

背景技术

现代工业机器，诸如制造和加工装置经常依赖于机器的各个方面的非常精确的坐标和/或控制以便实现所需功能性。然而，必须在限制复杂机器的各个部件的协同动作间的可实现精度的某些制造公差内构建这些机器。同时，机器的正常磨损会导致能影响不同机器部件间的关系和交互作用精度的设计参数的变化。另一不确定原因是在操作期间，部件对所经受的负载的动态响应。不能实现各个部件间的所需协调水平会具有严重的后果，范围从成品的质量降低到机器的严重故障。

在一些实例中，采用计算机化检测和控制系统来实现和/或维持装置的不同部件间的相对作用的所需精度水平。然而，由于多种因素，包括在机器操作期间，精确和快速地检测和比较相关部件的状态或功能的检测系统的能力，这些系统的效率是有限的，因此，防碍用户确定是否实现操作参数的期望精度。

通常，通过包括共旋轴或其他旋转部件和/或由共旋轴或其他旋转部件控制的相关部件的协同动作，实现机器的所需功能性。例如，旋转轴可以直接驱动特定相关部件或轴可以包括曲柄、凸轮或通过连接硬件作用在其他部件上的偏心部分。当不同共旋轴驱动不同联动机器部件时，共旋轴通常必须彼此保持特定的旋转相位关系。相位关系的精度对整个机器的正确操作很关键。

将意识到在大的机械系统中，特别是在包含大的和/或快速改变负载的应用中，实现旋转轴间的相位关系的高精度会是一个挑战。尽管对理想的机器来说，产生部件间的所需相位关系的机器设计通常很简单，但在实际机器中，由于多种因素，包括例如(i)制造公差，特别是这些公差的累积；(ii)在所施加的负载下，部件的弹性，包括这些属性中的温度相关变化；(iii)由于温度变化而产生的尺寸和材料属性的变化，以及(iv)装置随着时间的磨损，部件间的相位关系会改变。精确地确定部件间的旋转相位可能对机器设计、正确安装、控制和/或问题检测很重要。

因此，需要一种用于确定机器系统中的旋转部件间的相位关系的系统和方法。

发明内容

公开了用于非常精确地确定两个可旋转地连接的轴或其他旋转构件间的旋转相位差的系统和方法。该系统包括附着到旋转构件并与旋转构件一起旋转的盘。每一盘具有在其外围上编码的伪随机二进制序列。在每一盘的外围处或附近提供传感器以便在轴旋转的同时检测编码序列。周期性地采样每一传感器以便生成用于每一盘的检测序列。可以对检测序列滤波以便去除噪声和规格化以便于后续处理。最终序列是互相关的，其产生表示两个旋转构件间的相位关系的互相关中的尖峰信号或峰值，和由旋转周期分开的类似的峰值。为提高相位检测的精度，可以使用如在此所述的峰值的线性拟合外推来更精确地定位两个旋转构件间的相位或时间相位关系。

在所公开的实施例中，通过由钢或其他铁材料形成盘，以及将盘划分成31个圆周段来对应于31位M序列，通过31位伪随机M序列编码盘。其他伪随机序列可以选择性地使用，包括其他M序列。盘形成为对应于M序列中的“0”的段具有比对应于M序列中的“1”的段更短的半径。在盘的外围附近提供近程传感器以及检测较长半径段何时与传感器接近地相邻。特定实施例中的采样率为约50kHz以及在与编码M序列有关的旋转期间产生检测序列。为了后续计算的方便，可以过滤检测序列以消除噪声和规格化到+1和-1间的范围。将来自一个盘的规格化序列与来自第二盘的规格化序列互相关以便确定相应旋转构件的旋转位置间的相位时间差。按旋转周期划分时间差以便确定两个旋转构件的旋转相位。

相位检测系统的特定实施例包括其上附着有第一编码盘的第一旋转构件、连接到第一旋转构件的第二旋转构件，以及附着在其上的的第二编码盘。在第一盘的外围附近提供第一电感近程传感器，以及在第二盘的外围附近提供第二电感近程传感器。提供数据处理系统以从第一和第二传感器接收信号，该信号是周期性采样的以便产生能用来确定旋转构件间的相位关系的第一和第二检测信号序列。

附图说明

通过参考结合附图所述的下述详细描述，本发明的上述方面和许多附加优点将变得更显而易见并且更好理解，其中：

图1是表示用于本发明的相位检测系统的示例性应用的压力装置的透视图；

图2是根据本发明的相位检测器组件的透视图；

图3是图2中所示的相位检测器组件的分解透视图，为清楚起见，去除透明盖；

图4A和4B是图2中所示盘的平面图，其中，图4B示例说明伪随机序列的外围编码；

图5是用于处理由图2所示的两个相位检测器组件检测的序列的示例性系统；

图6是用于通过图4A所示的伪随机序列编码的盘的约一转的检测序列的示例性图；

图7是被处理以去除噪声和规格化在+1和-1间的、由图6所示的检测序列获得的规格化序列；

图8表示与图7所示的规格化序列类似，由来自相关旋转盘的两个规格化序列的示例性计算互相关函数；

图9是图8所示的所计算的互相关函数的一部分的特写视图；

图10表示由来自相关旋转盘的两个规格化序列计算的互相关函数；以及

图11是图10所示的计算的互相关函数的一部分的特写视图。

具体实施方式

现在，本发明的优选实施例将描述为本发明的示例性例子并参考附图，其中，相同的数字表示相同的部件。

对于本发明的优选实施例的示例性应用是确定在机器诸如图1所示的压力装置90中协同啮合的两个旋转轴间的旋转相位角关系。该示例性压力机90包括多个单个压力模块92，每一模块具有上压力部94和相对放置的、起反作用的下压力部96。在该压力机90中，通过旋转由以精确协同方式操作的多个电机93驱动的曲柄轴95、97，起动单个压力模块92，以便上轴95基本上同相地旋转以及下轴97基本均同相并相对于上轴95反转。协同压力模块92通过压力机90的中央通道102，压缩和推进标准板材(board material)。上下轴95、97的至少一些包括相位检测器组件100，如下所述。尽管该示例性例子表示同相操作的轴95、97，将意识到本发明不限于检测意图同相操作的部件之间的旋转相位，而是以非常直接的方式延伸以便确定以不同相位角操作的部件间的相位。

现在参考图2和3，其表示安装在上轴95的端部上的相位检测器组件100。图2表示相位检测器组件100的透视图，以及图3表示安装在轴95上的相位检测器组件100的分解视图。相位检测器组件100包括可以牢固地安装到支撑结构例如支撑轴95的结构的基板102。支撑板102包括尺寸定为容纳轴95上的插入安装柱的中央孔104。盖构件110附着到基板102以及包括附着有安装螺栓91(为清楚起见，在图3中未示出)的透明盖板111。

如下所述，在其外围编码伪随机序列的盘120包括中央孔124，其包括与轴95的插入安装柱98啮合的槽99，以便编码盘120与轴95一起旋转。可以例如通过可螺纹地啮合插入安装柱98的安装螺母128，固定编码盘120。帽状盖构件110密封盘120，而不防碍盘旋转。盖构件110可以固定到基板102，例如通过贯穿盖构件110中的孔115并与基板102中的螺纹孔105啮合的安装螺栓118。

传感器130，诸如近程传感器，安装在径向贯穿盖构件110的孔109中，以便传感器130位于盘120的周边附近。在当前实施例中，传感器130是电感近程传感器。适当的传感器，举例来说，是可从Twinsburg，Ohio的Pepperl+Fuchs，Inc.得到的电感近程传感器型号NJ1.5-6.5-50-E-V3。该特定传感器可埋入安装以及具有制造商的标明的1.5mm的检测范围。将意识到能利用各种替代的传感器以及所选择的特定传感器将由特定应用而定，认为其选择在本领域的技术人员内是很容易实现的。

传感器130的操作参考图4A将变得显而易见，其表示编码盘120的平面图。盘120包括插入中央孔124，以可旋转地锁定盘120以便与轴95(图3)一起旋转。所公开的实施例的盘120由铁材料诸如软钢制成，以及包括具有长半径R1的第一区126和具有第二半径R2的第二区127。形成第一区126和第二区127以便编码伪随机二进制序列，例如伪随机编码中的M序列，如下所述。

图4B表示编码盘120的平面视图。虚引导线将盘120圆周地划分成三十一个相等区。从图4B将意识到如果对于盘120的三十一个区的每一个，如果该区为第一区126，分配值为“1”，如果其为第二区127，分配值为“0”，恢复31位伪随机M序列。在优选实施例中，以盘120的右侧开始，如图4B所示，以及逆时针方向进行，生成二进制序列00001010 1110 1100 0111 1100 1101 001。该二进制序列是伪随机码中非常公知的31位M序列。

再次参考图2和3，现在将意识到当编码盘120旋转时，当盘120的较长第一区126与传感器130相邻时，位于盘120的第一半径R1附近的近程传感器130将生成第一信号(例如“高”信号)，以及当第一区126不与传感器130相邻时，将生成第二信号(例如空信号)。

图5示意性地表示连接到数字处理系统200诸如传统的计算机等等的两个相位检测器组件100、100’。相位检测器组件100、100’分别包括如上所述的传感器130、130’，两个传感器检测在各个盘120、120’上编码的伪随机序列。所检测的信号传送到数字处理系统200。在示例性操作模式中，以约50kHz的速率采样传感器。记录所检测的电压信号以便生成近似地对应于来自编码盘120的编码伪随机序列的序列。

图6表示用于盘120的约一转的检测信号序列140的示例性图。传感器130返回对大部分采样周期为“on”(例如相对高电压信号)或“off”(例如空信号)的信号。检测信号序列140通常还将包括一些噪声，如图6所示。

图7表示从图6所示的检测信号序列140获得的规格化信号序列142，其中，已经处理信号140以便去除噪声以及规格化到+1和-1间的范围。通过互相关来自两个共旋盘120的规格化信号序列142，每个盘120装备有相位检测组件100，能非常高精度地确定旋转构件间的旋转相位关系。

检测信号采样速率充分大于随机序列传递速率(在当前情况下，为每转31位)。在当前实施例中，对具有约1,000rpm的旋转速率的系统，以约50kHz的速率采样传感器130。因此，图6中所示的检测信号序列140，是以每转约3,000读数的速率从传感器130获得的信号。每转相对大的读数允许旋转构件之间的好的相位关系解。

图8表示两个规格化信号序列142诸如图7所示的规格化信号序列142的示例性计算互相关144。在图8中，第二规格化信号序列与第一规格化信号序列互相关。图10表示第一规格化信号序列142与第二规格化信号序列142的计算互相关144’。非常公知的互相关函数定义为：

$\mathrm{Cr}{F}_{2-1}\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_0^T{f}_2(t-\mathrm{\τ})f_1\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

$\mathrm{Cr}{F}_{1-2}\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_0^T{f}_1(t-\mathrm{\τ})f_2\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

其中，下标“1”是指第一序列，以及下标“2”是指第二序列。等式(1)定义第二信号序列f₂与第一信号序列f₁的互相关函数，以及等式(2)是第一信号序列f₁与第二信号序列f₂的互相关函数。将意识到规格化信号序列f₁和f₂分别由来自具有相同编码伪随机序列的两个共旋盘120的检测信号获得。还应当意识到规格化信号序列互相关时，仅当检测信号对准时，才出现最高相关。通过该图中的突变尖峰信号或峰值146A、146B，此对准情形表现在图8中所示的计算互相关函数144中。

图8中显示的信号2与信号1的互相关函数144覆盖盘120的稍微多于一个全转。如果设想相对于第一信号f₁时间偏移第二信号序列f₂，当对准第一和第二信号时，出现所计算的互相关144中的峰值146A、146B。当偏移第二信号序列时，出现峰值146A，146B，以这样第一和第二信号对准。因此，在图8的计算互相关中的第一峰值146A的水平位置表示第一和第二盘120间的相位(时间)关系。在图8中，所检测的序列非常接近同相。图9表示第一峰值146A的特写。图11是来自图10的第一峰值146A’的类似特写。

在本实施例中，相对于相应的传感器130，以相同的方向初始基本上对准两个盘120，以便图8所示的计算互相关144中的第一峰值146A的水平位置表示共旋盘120(因此，相关轴)的旋转相位间的时间差。通过将第一峰值146的时间除以盘120旋转周期，计算角相位差。

再参考图9和11，第一峰值146A、146A’包括向右的、具有下降部分的相对窄的水平部。将意识到如果峰值146A的窄的平直部分内的精度足够，可以使用迄今所述的所公开的系统和方法来确定盘120之间的相位关系。可选择的，可以例如通过估计峰值146A、146B的平直部分的“中点”，以及使用该中点来确定水平轴上的时间差，可以获得提高的精度。

现在，将参考图12，其表示表明两个峰值146A和146B的计算互相关144的断续图，描述用于确定相位关系的更精确的方法。将意识到计算互相关144对盘120的不只一个全转完成。现在参考第二峰值146B，其具有上升部147B、中间部148B和下降部149B。上升部147B和下降部149B在中间部148B附近，沿它们的长度部分基本上是线性的。因此，例如，使用传统的最佳拟合算法，可以构造下降部149B的最佳拟合外推直线，如159B所示。类似地，能构造上升部147B的直线外推，如157B所示。这两条线159B和157B将在点P₁(t₁，C₁)处，在中间部149B以上交叉，其中，t₁是来自水平轴的时间坐标，以及C₁是来自垂直轴的互相关坐标。现在，参考第一峰值146A，其也包括下降部149A和中间部148A。可以构造下降部149A的直线外推类似最佳拟合，在图12中的P₂(t₂，C₁)点处与对应于C1的水平线交叉，其中，t₂是P₂的来自水平轴的时间坐标。

现在，将意识到将用于旋转盘120的旋转周期T能计算为t₁-t₂。同时，t₂表示旋转盘120间的时间差。因此，第一和第二盘120(以及相关轴)间的相位差能计算为Ph＝t₂/T。

将意识到上述用于计算相位差的算法是当前的最佳算法以及意图帮助技术人员理解本发明。然而，意图在不背离本发明的情况下，能使用用于计算精确相位差的其他方法。

尽管已经示例和描述了本发明的优选实施例，将意识到在不背离本发明的精神和范围的情况下，能做出各种改变。

Claims (21)

1.一种相位检测系统，包括：

第一旋转构件；

第二旋转构件，其可旋转地连接到所述第一旋转构件以便所述第一和第二旋转构件以基本上相同的速率旋转；

第一盘，其附着到所述第一旋转构件，以便所述第一盘与所述第一旋转构件一起旋转，所述第一盘具有绕所述第一盘的外围顺序地编码的二进制伪随机序列；

第二盘，其附着到所述第二旋转构件，以便所述第二盘与所述第二旋转构件一起旋转，所述第二盘具有绕所述第二盘的外围顺序地编码的二进制伪随机序列；

第一传感器，其位于所述第一盘的外围附近的第一位置，所述第一传感器可操作用来当所述第一盘旋转时，周期性地检测第一位置处的二进制伪随机序列，以及由所检测到的二进制伪随机序列，生成第一检测序列；

第二传感器，其位于所述第二盘的外围附近的第二位置，所述第二传感器可操作用来当所述第二盘旋转时，周期性地检测第二位置处的二进制伪随机序列，以及由所检测到的二进制伪随机序列，生成第二检测序列；以及

数据处理系统，其接收第一和第二检测序列以及将第一检测序列和第二检测序列互相关以便确定第一旋转构件和第二旋转构件之间的旋转相位关系。

2.如权利要求1所述的系统，其中，二进制伪随机序列是M序列。

3.如权利要求2所述的系统，其中，通过对应于二进制伪随机序列勾画第一盘和第二盘周长的轮廓，在所述第一和第二盘上编码二进制伪随机序列。

4.如权利要求2所述的系统，其中，所述第一和第二盘每个分别包括圆周区，每一区对应于伪随机序列中的一位，以及其中在所述第一和第二盘上编码二进制伪随机序列，以便对应于伪随机序列的零的区具有第一半径，以及对应于伪随机序列的一的区具有不同于第一半径的第二半径。

5.如权利要求2所述的系统，其中，二进制伪随机序列具有31位。

6.如权利要求4所述的系统，其中，第一和第二传感器是电感近程传感器。

7.如权利要求6所述的系统，其中，第一和第二盘由铁材料形成。

8.如权利要求6所述的系统，其中，通过以约50kHz读取第一传感器生成第一检测序列。

9.如权利要求4所述的系统，其中，所述数据处理系统在使第一检测序列和第二检测序列互相关前，将第一检测序列和第二检测序列规格化为+1和-1间的范围。

10.如权利要求9所述的系统，其中，所述数据处理系统在将第一检测序列与第二检测序列互相关前，从第一检测序列和第二检测序列去除噪声。

11.一种用于确定两个旋转耦合构件间的旋转相位关系的方法，该方法包括步骤：

将第一盘附着到第一旋转构件，所述第一盘具有编码二进制伪代码序列的周长部分；

将第二盘附着到可旋转地耦合到第一旋转构件的第二旋转构件，所述第二盘具有编码二进制伪随机序列的周长部分；

在所述第一盘的周长附近的第一位置，提供第一传感器，从在第一位置的第一盘周期性地检测编码二进制序列的值，以及记录周期性检测值以定义第一序列；

在所述第二盘的周长附近的第二位置，提供第二传感器，从在第二位置的第二盘周期性地检测编码二进制序列的值，以及记录周期性检测值以定义第二序列；以及

将所述第一序列与所述第二序列互相关以便确定所述第一旋转构件和所述第二旋转构件间的旋转相位关系。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述二进制伪随机序列是M序列。

13.如权利要求12所述的系统，其中，通过对应于二进制伪随机序列勾画第一盘和第二盘周长的轮廓，在所述第一和第二盘上编码二进制伪随机序列。

14.如权利要求12所述的方法，其中，所述第一和第二盘分别包括圆周区，每一区对应于伪随机序列中的一位，以及其中在所述第一和第二盘上编码二进制伪随机序列，这样对应于伪随机序列的零的区具有第一半径，以及对应于伪随机序列的一的区具有不同于第一半径的第二半径。

15.如权利要求12所述的方法，其中，二进制伪随机序列具有31位。

16.如权利要求14所述的方法，其中，第一和第二传感器是电感近程传感器。

17.如权利要求16所述的方法，其中，第一盘和第二盘由铁材料形成。

18.如权利要求16所述的方法，其中，通过以约50kHz读取第一传感器，生成第一检测序列。

19.如权利要求14所述的方法，进一步包括在使第一检测序列和第二检测序列互相关前，将第一检测序列和第二检测序列规格化为+1和-1间的范围的步骤。

20.如权利要求14所述的方法，进一步包括在将第一检测序列与第二检测序列互相关前，从第一检测序列和第二检测序列去除噪声的步骤。

21.如权利要求19所述的方法，其中第一检测序列和第二检测序列的互相关执行大于整个回转周期的时间周期，以至少定义第一峰值和第二峰值，并进一步包括步骤：

线性地外推第二峰值的上升部分和下降部分以便找出定义第一时间和第一互关联值的交叉点；

线性地外推第一峰值的下降部分以便当线性外推到达第一互相关值时，找出对应于第二时间的第二时间点；

从第一时间减去第二时间以便确定旋转周期；以及

将第二时间除以旋转周期以便计算第一和第二旋转构件的旋转相位关系。

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