用于二维定位的具有位置编码器的驱动机构.pdf

本发明公开了一种驱动机构，该驱动机构包含有：固定座；移动座，在该移动座上安装有待驱动的物体；驱动马达，该驱动马达被操作来驱动移动座相对于固定座线性移动和转动；以及感应式编码器，其被操作来确定移动座相对于固定座的线性和转动位移，借此来提供该物体在线性和转动方向上位置的闭环控制。

1、  一种驱动机构，该驱动机构包含有：
固定座；
移动座，在该移动座上安装有待驱动的物体；
驱动马达，该驱动马达被操作来驱动移动座相对于固定座线性移动和转动；以及
感应式编码器，其被操作来确定移动座相对于固定座的线性和转动位移，借此来提供该物体在线性和转动方向上位置的闭环控制。

2、  如权利要求1所述的驱动机构，其中该驱动马达包含有：
线圈，其安装在固定座和移动座中的一个上；
永磁体，其安装在固定座和移动座中的另一个上。

3、  如权利要求1所述的驱动机构，该驱动机构还包含有：居中设置的柱体，移动座滑动地支撑在该柱体上，以相对于固定座移动。

4、  如权利要求3所述的驱动机构，该驱动机构还包含有：线性旋转轴承，该线性旋转轴承设置在移动座和居中设置的柱体之间。

5、  如权利要求3所述的驱动机构，其中该居中设置的柱体还包括中央空心部，以设置导线和其他设备而连接到物体上。。

6、  如权利要求1所述的驱动机构，其中该感应式编码器还包含有开槽的解析器和叠片铁心，该开槽的解析器安装在固定座和移动座中的一个上，而该叠片铁心安装在固定座和移动座中的另一个上。

7、  如权利要求6所述的驱动机构，其中该开槽的解析器包含有编码器定子，该编码器定子具有多个极柱，该极柱从编码器定子向内延伸；另外，该叠片铁心居中设置，且可相对于该极柱转动。

8、  如权利要求7所述的驱动机构，该驱动机构还包含有：解析器线圈，该解析器线圈缠绕该极柱，其中一个或一个以上的线圈传送激励信号到该开槽的解析器，一个或一个以上的线圈收集根据叠片铁心的位置所产生的正弦信号，一个或一个以上的线圈收集根据叠片铁心的位置所产生的余弦信号。

9、  如权利要求8所述的驱动机构，其中，该解析器线圈的总数目等于3n，n为大于或等于1的正整数。

10、  如权利要求6所述的驱动机构，该驱动机构还包括：在叠片铁心中央具有内孔，用于将导线或其他设备连接到物体上。

11、  一种用于马达的驱动机构，该驱动机构包含有：
磁体组件；
固定座，其和磁体组件分隔开来以形成气隙，用于在该固定座和磁体组件之间在该气隙中产生磁通线；以及
线圈组件，其包含有多个设置在该气隙中的线圈，该线圈组件被操作来和该磁通线产生电磁作用，导致磁体组件和线圈组件二者在第一线性位置和第二线性位置之间相对于彼此线性移动，以及二者在第一线性位置和第二线性位置处相对于彼此转动；
其中，该线圈组件的局部被配置来延伸超出该磁体组件，并在所述的第一线性位置和第二线性位置处被设置于磁通线的外侧。

12、  如权利要求11所述的马达，其中，该第一线性位置和第二线性位置是指在该线圈组件和磁体组件之间的相对线性移动过程中所移动的线性端部位置。

13、  如权利要求11所述的马达，其中，该线圈组件是相对固定的，而磁体组件是相对于该线圈组件移动的。

14、  如权利要求11所述的马达，其中，该磁体组件是相对固定的，而线圈组件是相对于该磁体组件移动的。

15、  如权利要求11所述的马达，其中，该线圈组件的多个线圈形成三相的线圈组件。

16、  如权利要求15所述的马达，其中，该三相的线圈组件的多个线圈是以星型连接方式连接。

17、  如权利要求11所述的马达，其中，该磁体组件是居中设置的，而线圈组件是环绕于该磁体组件。

用于二维定位的具有位置编码器的驱动机构
技术领域
本发明涉及用于在二维空间中定位物体的驱动机构(drivingmechanism)，更具体是涉及一种具有位置编码器的驱动机构，以在操作过程中通过驱动机构实现在二维空间中的控制定位。
背景技术
用于驱动物体如相机镜头(camera lenses)的特定驱动机构需要在操作过程中能够在至少二维空间，例如在旋转方向和线性方向中精确地定位该物体。通常，旋转线性驱动机构的线性和角度位置能够通过光学方法(optical means)得以确定。例如，专利号为6,765,195、发明名称为“用于二维绝对光学编码(Absolute Optical Encoding)的方法和装置”的美国专利描述了一种用于确定物体在二维空间中位置的光学编码器。该编码器包含有标尺(scale)、用于照射该标尺的装置、用于形成图案图像的装置、用于输出信号的检测器装置和用于确定物体在二个方向上的绝对位置的分析装置，该标尺具有图案(pattern)，其被预先确定以在标尺上显示绝对位置。通过该标尺和图案，得以知晓物体的位置，从而驱动机构可以控制物体在二维空间中的移动。
然而，通常光学编码器使用起来笨重且昂贵，尤其是需要大量的空间来安装编码器镜头组件和光学标尺以检测物体的位置。对于装配空间非常宝贵的紧凑型装置而言，光学编码器是不被期望的。
另一种类型的编码器使用感应式传感器，其不需要光学装置来检测物体的位置。这种编码器的一个实例公开于专利号为5,757,182、发明名称为“具有正弦分布绕组(Sinusoidally Distributed Winding)的可变磁阻式角度旋转传感器(Variable-Reluctance-Type AngularRotation Sensor)”的美国专利中，在该配置中，正弦分布绕组形成于均匀分布的槽孔中，以致于被驱动的物体的角度位置使用可变磁阻的原理(variable-relunctance principles)得以确定。但是，这种感应式传感器按惯例不能够检测物体在两个方向上的位置，例如角度上的位移和直线上的位移。因此，包含有感应式位置编码器的驱动机构被操作来提供物体仅仅在一个方向上的可控驱动，尤其是旋转方向。提供比光学编码器更加紧凑的，并能检测物体在二维空间中的位置的感应式编码器是令人期望的。这种驱动机构可以提供物体在二维空间中的可控驱动，尤其是在需要驱动机构线性移动物体和旋转物体的场合。
另外，现有的提供有旋转和线性移动的马达需要两组线圈和磁体以提供旋转力矩和线性移动力。同样这也需要两个驱动器(drivers)来驱动各组线圈和磁体，这些提高了部件的数量和成本。例如，专利号为7,038,334、发明名称为“高精度激光加工装置”的美国专利描述了如何使用旋转马达和独立的线性马达来分别提供旋转和线性移动。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种感应式编码器，其使用驱动机构在两个方向上驱动物体，来检测该物体的旋转和线性位移，从而避免光学编码器的不足。
本发明的另一目的在于提供一种马达，和传统的旋转线性马达相比，在该马达中单独使用一组线圈和磁体产生马达的旋转和线性移动，以减少部件的数量和成本。
于是，一方面，本发明提供一种驱动机构，该驱动机构包含有：固定座；移动座，在该移动座上安装有待驱动的物体；驱动马达，该驱动马达被操作来驱动移动座相对于固定座线性移动和转动；以及感应式编码器，其被操作来确定移动座相对于固定座的线性和转动位移，借此来提供该物体在线性和转动方向上位置的闭环控制。
另一方面，本发明提供一种包括驱动机构的马达，该驱动机构包含有：磁体组件；固定座，其和磁体组件分隔开来以形成气隙，用于在该固定座和磁体组件之间在该气隙中产生磁通线；以及线圈组件，其包含有多个设置在该气隙中的线圈，该线圈组件被操作来和该磁通线产生电磁作用，导致磁体组件和线圈组件二者在第一线性位置和第二线性位置之间相对于彼此线性移动，以及二者在第一线性位置和第二线性位置处相对于彼此转动；其中，该线圈组件的局部被配置来延伸超出该磁体组件，并在所述的第一线性位置和第二线性位置处被设置在磁通线的外侧。
参阅后附的描述本发明实施例的附图，随后来详细描述本发明是很方便的。附图和相关的描述不能理解成是对本发明的限制，本发明的特点限定在权利要求书中。
附图说明
根据本发明较佳实施例所述的装置的实例现将参考附图加以描述，其中：
图1所示为根据本发明较佳实施例所述的包含有感应式编码器的驱动机构的一个端部的立体示意图。
图2所示为该驱动机构的、和图1所示端部相对的另一个端部的立体示意图。
图3所示为包含在感应式编码器中带有开槽的解析器的线圈绕组结构的剖示示意图。
图4所示为在第一位置时驱动机构的移动座的剖示示意图。
图5所示为在第二位置时驱动机构的移动座的剖示示意图。
图6所示为根据本发明另一实施例所述的旋转-线性马达的磁体组件和线圈组件的立体简化示意图。
图7所示为在驱动马达中用来产生线性力和旋转力的马达驱动器的典型电路示意图。
图8和图9所示分别为表明由三相电流中的每相在不同电角度(electrical angle)下所产生的、用于驱动驱动马达线性移动和旋转动作的标准化作用力(normalized forces)的典型力和力矩示意图。
具体实施方式
图1所示为根据本发明较佳实施例所述的包含有感应式编码器的驱动机构10一个端部的立体示意图。通常，该驱动机构10包含有固定座(fixed housing)12、用于安装待驱动物体如光学透镜系统的移动座(movable housing)14、线性旋转轴承(linear-rotary bearings)16和居中设置的中心柱18。该驱动机构10还包括包含在感应式编码器中的解析器线圈(resolver coils)20。
图2所示为驱动机构10的、和图1所示端部相对的另一个端部的立体示意图。它进一步表明了驱动马达的驱动马达定子线圈(statorcoils)22，如安装在固定座12上的伺服马达(servo motor)，用来驱动移动座14相对于中心柱18移动。该驱动马达被操作来驱动移动座14相对于固定座12进行线性和旋转运动。
图3所示为包含在感应式编码器中带有开槽的解析器23的线圈绕组结构的剖示示意图。所述的感应式编码器被操作来确定移动座相对于固定座的线性和旋转位移，借此提供该物体位置在线性和旋转方向上的闭环控制。
开槽的解析器23包含有编码器定子(encoder stator)24，其具有多个极柱(poles)26，该极柱从编码器定子24向内延伸。较佳地由铁制成的叠片铁心(laminated core)30设置在编码器定子24的中央，并相对于极柱26是可旋转的。在叠片铁心中央具有内孔32，用于将导线或其他设备连接到被驱动的物体上。在叠片铁心30和极柱26之间形成有气隙(air gap)34，叠片铁心30可在其中旋转。开槽的解析器23可以安装在固定座12或者移动座14中的一个上，而叠片铁心30可以安装在固定座12或者移动座14中的另一个上。
解析器线圈20缠绕在极柱26周围，至少一个或一个以上的解析器线圈(例如两个解析器线圈20和两个极柱26)打算用作传送激励信号(excitation signal)，至少一个或一个以上的解析器线圈(例如两个解析器线圈20和两个极柱26)打算用作采集根据叠片铁心30的位置所产生的正弦信号(Sine signals)，至少一个或一个以上的解析器线圈(例如两个余下的解析器线圈20和两个极柱26)打算用作采集根据叠片铁心30的位置所产生的余弦信号(Cosine signals)。解析器线圈20的数目较佳地等于3n，其中n是大于或等于1的正整数。用作传送激励信号的解析器线圈20接收来自激励线缆36的电流，用作采集正弦信号的解析器线圈20通过正弦线缆38传送电流，用作采集余弦信号的解析器线圈20通过余弦线缆40传送电流。
图4所示为驱动机构10的剖示示意图，其中移动座14相对于中心柱18位于第一位置。伺服马达19包含有安装在固定座12上的驱动马达定子线圈22、安装在移动座14上的驱动马达永磁体42。反过来，驱动马达定子线圈也可以安装在移动座14上，而驱动马达永磁体可以安装在固定座12上。驱动马达永磁体42可被操作来与驱动马达定子线圈22进行电磁作用，以驱动移动座14相对于固定座12进行线性移动，以及相对于固定座12旋转，其将进一步详细解释如下。
移动座14可滑动地支撑在中心柱18上，线性旋转轴承16设置在移动座14和中心柱18之间。当移动座14移动时，线性旋转轴承16中的滚珠44允许移动座14和线性旋转轴承16一起相对于中心柱18和相对于固定座12滑动。所以，安装在移动座14上的物体，如光学镜头，可以被驱动来相对于固定座12和中心柱18线性移动，并且也可以相对于它们旋转，借此控制物体的线性和旋转移动。这和前述的包含有感应式编码器的现有驱动机构相反，这种现有的驱动机构仅仅提供了驱动机构可移动部件的可控的旋转运动(而非线性运动)。而且，中心柱18可包括中央空心部，以设置导线和其他设备而连接到物体上。
如上所述，开槽的解析器23包括解析器线圈20和叠片铁心30。当移动座14移动时，它同样也驱动叠片铁心30移动相应的程度。因此，正弦线圈38和余弦线圈40所收集到的电信号可以用来确定移动座14的线性位置和旋转位置，借此使得移动座14位置的闭环控制成为可能。
图5所示为驱动机构10的移动座14在第二位置时的剖示示意图。移动座14和线性旋转轴承16沿着中心柱18以滑动的方式从第一位置移动到第二位置。驱动马达永磁体42和叠片铁心30分别相对于驱动马达定子线圈22和解析器线圈20移动。叠片铁心30的移动使得移动座14的线性移动和旋转移动的程度得以被测量。
从正弦线圈38和余弦线圈40所获得的读数结果计算移动座14的移动程度的示例性方法列明如下：
通过激励线圈36所传送的激励信号可以表达为：
E(t)＝A_esinω_ot，其中E(t)，是加载在基础绕组上的电压，A_e是激励信号的幅值，w_o是激励信号的频率，t是时间变量。
由正弦线圈38和余弦线圈40各自所采集到的正弦信号和余弦信号可以表达为：
S₁(t)＝a(z)sinθsinω_ot
S₂(t)＝a(z)cosθsinω_ot
其中，a(z)是Z轴的位置信息，θ是角度位置值。
解析器线圈20的正弦输出绕组和余弦输出绕组相互之间具有包含电角(electrical angle)为90度的相位差，因此，叠片铁心30的旋转角θ可以由上述的公式确定。
为了确定移动座14的垂直Z向的位置，所采集的信号S₁(t)和S₂(t)通过一带有90度相移(phase shift)的全通滤波器(all-pass filter)，这可以使用运算放大器(operational amplifier)实现。得到了最终的信号S₃(t)和S₄(t)：
S₁(t)＝a(z)sinθsinω_ot
S₃(t)＝a(z)sinθcosω_ot
S₂(t)＝a(z)cosθsinω_ot
S₄(t)＝a(z)cosθcosω_ot
然后下面进行模拟乘法和求和(Analogue multiplications andsummations)：
yz(t)=S12(t)+S22(t)+S32(t)+S42(t)]]>
y_z(t)＝2a²(z)
最后，Z轴的位置信息通过下面的公式使用数字信号处理器(DSP：Digital Signal Processor)解码：
a(z)=yz(t)2]]>
激励、正弦和余弦信号会被传送到解析器-数字转换器(R/D：Resolver-to-Digital)上，用来计算旋转角度信息。使用开槽的解析器23，上述的输出信号a(z)仅仅包括Z轴位置信息，其是独立于使用同一个开槽的解析器23所计算出的旋转角度信息的。
随着得到上述的旋转角度θ和Z轴位置a(z)，从而获得二维的位置信息用于驱动机构10，以允许驱动机构10使用感应式编码器时控制物体在线性和旋转方向上的移动，如上所述。
图6所示为根据本发明另一可选实施例所述的旋转线性马达的磁体组件和线圈组件的立体简化示意图。在该实施例中，以居中设置的驱动马达永磁体42形式存在的磁体组件相对固定，而以驱动马达线圈22形式存在的线圈组件被设置来相对于驱动马达永磁体42移动。驱动马达线圈22围绕着驱动马达永磁体42，并在由固定座12所封闭的间隙内移动。磁通线(Magnetic flux lines)产生于驱动马达永磁体42和固定座12之间，其包括铁。
驱动马达线圈22包括一组多相位的线圈，较合适地为三个相位的线圈。多相位的线圈中所包含的线圈数量等于相位的数量乘以每个相位所包括的线圈的数量。同时，从图6中值得注意的是，驱动马达线圈22的一局部y超出驱动马达永磁体42延伸，且不和驱动马达永磁体42相重叠，结果，驱动马达线圈22的局部y不和驱动马达永磁体42与固定座12之间所产生的磁通线发生作用。这个特征使得驱动马达线圈22能与来自驱动马达永磁体42的磁通线产生电磁作用，以在驱动马达线圈22上获得力矩，从而使得驱动马达线圈22转动。
当驱动马达线圈22线性移动到第一位置和第二位置时，在该第一位置和第二位置驱动马达线圈22的局部没有被驱动马达永磁体42所重叠。这使得旋转动作能够在该第一位置和第二位置产生。较合适地，驱动马达线圈22的、不被驱动马达永磁体42重叠的局部在驱动马达线圈22和驱动马达永磁体42之间相对线性移动的第一和第二线性端部位置处设置在磁通线的外侧，以致于没有重叠的局部出现在整个驱动马达的移动范围。
图7所示为在驱动马达中用来产生线性力和旋转力的马达驱动器的典型电路示意图50。该组3个驱动马达线圈22以星形布置(stararrangement)的形式被布置和分隔成三相，其中，3个驱动马达线圈22被连接到一个公共的连接点上。它们也可以被布置成三角形形式(delta arrangement)，其中它们在多个连接点以三角形的形式连接。电路图50还包括二极管52、电源开关54和电容56。
推导出下面的公式，以用于控制本发明较佳实施例所述的线性旋转马达：
在旋转轴上：
Tθ=iakθl-ylcosθ+ibkθl-ylcos(θ-2π3)+ickθl-ylcos(θ+2π3)]]>
其中，T_θ是旋转轴上的力矩；θ是旋转角；i_a，i_b，i_c是三相上的电流；k_θ是旋转轴力矩的常数；l是线圈的总长度；y是如图6所示线圈和永磁体之间没有重叠部分的长度。
在线性轴上：
fz=iakzsinθ+ibkzsin(θ-2π3)+ickzsin(θ+2π3)]]>
其中，f_z是线性轴向力，k_z是线性轴向力常数。
1、若我们假定：
ia=Iqll-ycosθ,]]>ib=Iqll-ycos(θ-2π3),]]>ic=Iqll-ycos(θ+2π3),]]>
其中，I_q是控制变量，我们可以得到：
T_θ＝k_θI_q和f_z＝0；
2、若我们假定：
i_a＝I_dsinθ，ib=Idsin(θ-2π3),]]>ic=Idsin(θ+2π3),]]>
其中，I_d是控制变量，我们可以得到：
T_θ＝0和f_z＝k_zI_d；
因此，通过叠加原理，我们可以使用下面的公式单独地控制旋转轴上的力矩和线性轴向的力：
ia=Idsinθ+Iqll-ycosθ,]]>
ib=Idsin(θ-2π3)+Iqll-ycos(θ-2π3),]]>
ic=Idsin(θ+2π3)+Iqll-ycos(θ+2π3)]]>
而且，最终所产生的旋转力矩和线性轴向力等于：
T_θ＝k_θI_q和f_z＝k_zI_d。
所以，流经同一组驱动马达线圈22的相位电流可以为旋转线性马达提供所需的线性轴向力和旋转力矩。
图8所示为表明由三相电流中的每相在不同电角度(electricalangles)下所产生的、用于驱动驱动马达线性移动的标准化作用力(normalized forces)的典型力示意图。图9所示为表明由三相电流中的每相在不同电角度(electrical angle)下所产生的、用于驱动驱动马达旋转动作的标准化作用力的典型力矩示意图。这些图例表明通过同一组驱动马达线圈22和驱动马达永磁体42之间的电气作用，由三相电流的合成在各个电角度下所产生的线性力和力矩。
使用一组线圈和磁体，本发明较佳实施例所述的旋转线性马达能够同时提供转动和线性移动，如果使用移动的磁体形式，结合使用感应式编码器，那么将不存在线缆安装在移动部件上。同时，同步的转动和线性移动能够独立地、准确地得以产生、监视和控制。
此处描述的本发明在所具体描述的内容基础上很容易产生变化、修正和/或补充，可以理解的是所有这些变化、修正和/或补充都包括在本发明的上述描述的精神和范围内。