阅读说明：本技术 用于获得线性系统的线性单元的位置的系统 (System for obtaining the position of a linear unit of a linear system ) 是由 克里斯托弗·里尔 马丁·肖勒 于 2019-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于获得线性系统(6)的线性单元(10)的位置的系统(1),其中所述线性系统(6)具有发动机(2),其中所述发动机(2)被设计成驱动线性单元(10)以实现线性运动,其中所述系统(1)具有绝对旋转编码器(20、22),所述绝对旋转编码器(20、22)与所述发动机(2)连接,其中所述绝对旋转编码器(20、22)被设计成,基于所述发动机(2)的运动获得所述线性单元(10)的位置。(The invention discloses a system (1) for obtaining the position of a linear unit (10) of a linear system (6), wherein the linear system (6) has a motor (2), wherein the motor (2) is designed to drive the linear unit (10) for linear movement, wherein the system (1) has an absolute rotary encoder (20, 22), which absolute rotary encoder (20, 22) is connected to the motor (2), wherein the absolute rotary encoder (20, 22) is designed to obtain the position of the linear unit (10) on the basis of the movement of the motor (2).)

用于获得线性系统的线性单元的位置的系统

技术领域

本发明涉及一种用于获得线性系统或线性致动器的线性单元的位置的系统，其中，线性系统具有发动机，并且其中，发动机被设计成驱动线性单元，以便实现线性运动。

背景技术

在多种技术系统中会为了实现线性的运动而利用到线性致动器或伸缩杆。其中，电气的线性致动器通常由发动机和通过发动机驱动的变速器(Getriebe)组成，所述变速器将旋转运动施加到转换元件上，其中，转换元件将旋转运动转换为线性运动。该转换元件例如为轴、链条、皮带或齿条。

例如，可能需要与线性致动器的位置相关的反馈，以便电气限制线性致动器的机械行程，从而使得能够实现精确的定位或者向其他系统给出关于线性致动器的当前位置的信息。到目前为止，这种位置反馈一般是通过增量型编码器(即所谓的增量编码器(Inkrementalgeber))得到的。然而，此种系统是成本高昂的，并且需要大量的元器件，因此其非常昂贵。例如，增量编码器通常需要两个传感器、一个计算单元和一个备份单元。在线性单元运动期间，两个传感器发出有90°相移的两个电信号，通过这些电信号能够获得线性单元的路径距离和路径方向。基于所述路径距离和路径方向，计算单元可确定线性单元的位置。而在关断期间或在电源故障期间，当前的位置信息可能丢失。为了避免这一情况，备份单元可存储当前的位置信息。然而，增量编码器有可能必须要在接通后被重新参考(referenzieren)，原因在于，在关断状态下无法获得位置的改变。

发明内容

因此，本发明的任务在于，要能够以简单且安全的方式来确定线性系统的线性单元的位置。

该任务的解决是通过根据本发明的用于获得线性系统的线性单元的位置的系统。线性致动器具有发动机，其中，该发动机被设计为直接或间接地驱动线性单元，以便实现线性运动。

与已知的系统相比，本发明所提出的系统使用了绝对旋转编码器，其与发动机直接或间接地连接，并且被设计成，基于发动机的运动来获得线性单元的位置。绝对旋转编码器——其也被称为绝对值编码器——给出了数字值形式的位置信息。该数字值在绝对旋转编码器的整个分辨范围上是唯一的，这就是不需要(如至今为止使用的增量编码器所需的)初始参考(Anfangs-referenzierung)的原因。

通过使用绝对旋转编码器，还有可能的是，在电源故障或关断的情况下仍能够保持线性单元的位置。因此在重新接通之后，不需要再重新参考绝对旋转编码器。此外，还能够省去(如至今为止使用的增量旋转编码器所需的)存储单元。此外，由于绝对旋转编码器不必总被一再参考，则能够减少设置和维护的时间。此外，能够由此显著改善获得线性单元的位置的可靠性。

旋转编码器(或者旋转角编码器或编码器)被理解为旋转角的传感器，其给出要在评估设备中解码的输出信号。(如此处所使用的)绝对旋转编码器或绝对值编码器给出了数字值形式的位置信息。该位置信息能够与发动机的位置信息相关，或者与连接到发动机的变速器的位置信息相关，并由此与线性单元的位置间接相关。由于该数字值在绝对旋转编码器的整个分辨范围上是唯一的，则例如对于增量编码器而言不需要初始参考过程。根据实现形式的不同，绝对旋转编码器可能仅能分辨一圈旋转并随后从0重新开始，或者能够分辨多圈旋转。

线性系统可能涉及一种螺母-轴-系统(Mutter-Spindel-System)，其例如能够被用于升降柱的致动器中或用于线性模块中。此外，该线性系统可为任何类型的线性致动器，借助该线性系统能够将发动机的运动转化为线性单元的运动。

根据一个实施方式，线性系统具有通过发动机驱动的变速器，其中发动机被设计为，通过变速器驱动线性单元。在这种情况下，绝对旋转编码器通过变速器连接到发动机。

根据一个实施方式，绝对旋转编码器为多圈式绝对旋转编码器，其能够分辨多圈旋转。在这种情况下，还能够获得在一次旋转内的绝对旋转以及旋转的圈数。这意味着，通过多圈式绝对旋转编码器能够为变速器的每个角度值和每次完整的旋转分配一被编码的位置值。因此，能够省略零位置(Nullstellung)或者参考。其中，绝对旋转编码器生成关于变速器的位置、角度和转数的信息。

在另一个实施方式中，绝对旋转编码器可包括第一和第二单圈式绝对旋转编码器。在单圈式实现形式中，绝对旋转编码器测量在一次旋转内的绝对旋转。通过使用两个单圈式绝对旋转编码器能够以简单的方式实现一个多圈式绝对旋转编码器。

两个单圈式绝对旋转编码器的位置借助变速器通过微小的减速差(Untersetzungsunterschied)来驱动。该差导致在每次旋转时在两个单圈式绝对旋转编码器的两个角度之差增大。而该两个角度之间的差异在计算之后得出转数，并由此得出多次旋转(多圈)的总角度。

此外，多圈式编码器还能够例如通过使用以下元件实现：电位器；与旋转计数器和存储器组合的单圈式绝对旋转编码器；与旋转计数器和电池组合的单圈式绝对旋转编码器；与计步器和存储器组合的增量编码器；或者，与计步器和电池组合的增量编码器。

绝对旋转编码器能够通过至少一个第一和第二齿轮与发动机或变速器连接。在一个实施方式中，这些齿轮也可直接集成到变速器中。特别地，第一单圈式绝对旋转编码器与第一齿轮连接，并且，第二单圈式绝对旋转编码器与第二齿轮连接。通过两个齿轮，发动机或变速器的运动被分别传递给两个单圈式绝对旋转编码器。因此，齿轮的运动与线性单元的运动直接相关联。

第一齿轮可具有第一齿部，并且，第二齿轮可具有第二齿部。优选地，第一齿部(N1)的齿数与第二齿部(N2)的齿数之差在1和5之间，特别是在1和2之间。N1与N2之差最好为仅一个齿，但是如果N1的齿数非常大的话，则所述差也可以比较大。通过这种小的齿数之差，能够实现非常小的传动比(

)。计算在所获得的第一和第二齿轮的角度之差，其中，所述差通过小的齿数之差被非常慢地改变。

相较于需要高机械传动比关系()的、多圈式绝对旋转编码器的其他实现形式而言，使用具有低传动比的两个齿轮的两个单圈式绝对旋转编码器能够降低空间需求。此外，相较于多圈式绝对旋转编码器的其他实现形式而言，由于较小的空间需求和较小的齿数，此类实现形式还能够降低成本。

根据一个实施方式，具有第一和第二齿轮的发动机或变速器通过第三齿轮与第三齿部(N3)耦接。通过三个齿轮，实现了发动机或变速器与绝对旋转编码器的耦接装置。在一个实施方式中，该耦接装置也可集成在变速器中。在第一和第三齿轮之间的传动比率为R1＝N3/N1，在第二和第三齿轮之间的传动比率为R2＝N3/N2。

则耦接装置的传动比关系为R＝R1-R2＝N3/N1-N3/N2。

取齿数差为1，即N2＝N1+1，则以上方程为：R＝N3/(N1²+N1)。

作为示例，以下将齿部假设为：N1＝30，N2＝31和N3＝10。

因此，传动比关系R1＝10/30＝1/3以及R2＝10/31。因此，耦接装置的传动比关系R＝10/(30²+30)＝1/93。

在该示例中，通过简单的方法，以具有1/3的传动比关系的两个简单齿轮实现了具有1/93的传动比的耦接装置。因此，使用本发明提出的系统，能够分辨变速器的多次旋转(并由此分辨线性单元的较大运动范围)，而无需在变速器与绝对旋转编码器之间的耦接装置有高的传动比。这同样产生较小的空间需求，并因此产生上述优势。

根据一个实施方式，绝对旋转编码器可被设计为，通过电容性的、磁性的、电感性的和/或光学的耦接装置来获得发动机或变速器的运动。

对于光学的耦接装置，可设置具有多个代码轨道(Codespuren)的齿轮，其能够借助于光学元件被并行地扫描。对于磁性的耦接装置，可在齿轮上设置磁体，其能够通过绝对旋转编码器在齿轮旋转期间借助磁性的耦接装置获得。为了得到电容性的耦接装置，能够在齿轮上以及在绝对旋转编码器上设置电极，其中，当电极相对于彼此转动时会改变电容。根据该电容改变能够确定角位置。以类似的方式，能够实现电感性的耦接装置并由此改变电感。

优选地，绝对旋转编码器通过电容性的或电感性的耦接装置与齿轮(例如第一和第二齿轮)连接，其得到变速器的运动。相较于光学的或磁性的测量而言，使用电容性的或电感性的测量是特别节约成本的。

如上所述，通过绝对旋转编码器能够借助齿轮的角位置获得变速器的转动。为了将所获得的变速器的运动转换成线性单元的位置，根据另一实施方式，系统具有计算单元。该计算单元例如能够基于所存储的数值实现将变速器的运动转换成线性单元的位置。

特别地，绝对旋转编码器能够获得第一和第二齿轮的角位置，并且，计算单元能够将这些角位置转换成线性单元的位置。在这种情况下，对于两个齿轮的每一个角位置或者每一个角位置组合而言，能够存储一线性单元位置。在一个实施方式中，计算单元还能够针对线性单元的零点(也就是说在线性单元的完全缩回或完全伸出的状态下)获得并储存两个齿轮的相应角位置。随后，能够相应地在计算单元中将通过线性单元的运动引起的角位置改变识别和计算为线性单元的位置改变。

在本说明书、附图和权利要求中给出了其他优点和有利的实施方式。特别地，在说明书和附图中所给出的技术特征的组合是纯示例性的，因此，这些技术特征也可以单独存在或者以其他方式组合。

附图简述

在下文中，根据在附图中所示的实施例来详细描述本发明。此处，所述实施例和在实施例中所示的组合纯粹是示例性的，而不应当限制本发明的保护范围。保护范围仅通过所附权利要求来定义。

在附图中示出的是：

图1：带有用于获得线性单元的位置的系统的线性致动器；

图2：图1中用于获得线性单元的位置的系统的第一实施方式；

图3：图1中用于获得线性单元的位置的系统的第二实施方式；

图4：图1中用于获得线性单元的位置的系统的第三实施方式。

在下文中，相同的或者功能相同的元件使用相同的附图标记来表示。

附图标记列表

1 系统

2 发动机

4 变速器

6 致动器

8 轴

10 线性单元

12 位置确定单元

14 第一齿轮

16 第二齿轮

18 第三齿轮

20 绝对旋转编码器

22 绝对旋转编码器

24 计算单元

具体实施方式

图1示出了用于获得线性系统(此处为线性致动器6)的线性单元10的位置的系统1。发动机2与变速器4耦接，其驱动线性致动器6。可供选择地，发动机2也可与线性致动器6直接耦接。在这种情况下，线性致动器6由轴8和线性单元10组成。变速器4使轴8进行旋转运动，而轴8则将该旋转运动转换成线性单元10的线性运动。也能够使用任何其他形式的转换元件(例如皮带或齿轮)来代替轴8。

此外，变速器4还通过位置确定单元12与绝对旋转编码器20、22连接。位置确定单元12能够与变速器4一体地形成为变速器线路(Getriebestrang)，或者形成为在变速器与绝对旋转编码器20、22之间的耦接装置。

绝对旋转编码器20、22在这种情况下能够通过两个单圈式(Singleturn)绝对旋转编码器20、22。通过变速器4与绝对旋转编码器20、22的耦接装置能够确定线性单元10的位置。该位置能够用于电气限定线性致动器6的机械行程，从而能够进行精确的定位或者向其他系统给出关于线性致动器6的当前位置的信息。

在此处示出的实施方式中，用于将变速器4与绝对旋转编码器20、22耦接的位置确定单元12由三个齿轮14、16、18组成，其中，第一齿轮14与第一单圈式绝对旋转编码器20耦接，并且第二齿轮16与第二单圈式绝对旋转编码器22耦接。变速器4本身驱动第三齿轮18，其使得另外两个齿轮14、16旋转。第三齿轮18能够与轴8直接相关地运动。两个单圈式绝对旋转编码器20、22(例如通过电容性的耦接装置)获得两个齿轮14、16的角位置。这些角位置分别对应于线性单元10的位置，从而使得其能够通过绝对旋转编码器20、22精确地确定。

在图2至4中显示了位置确定单元12的三个示例性的实现方式，其中，其他的实施方式也是有可能的。

图2示出了图1的位置确定单元12的实施方式的示意图。其中，位置确定单元12同样由三个齿轮14、16、18组成，其中，第一齿轮14与第一单圈式绝对旋转编码器20耦接，并且第二齿轮16与第二单圈式绝对旋转编码器22耦接。变速器4本身驱动第三齿轮18，其布置在另外两个齿轮14、16之间并且使得这两个齿轮分别旋转。

两个单圈式绝对旋转编码器20、22分别获得第一或第二齿轮14、16的角位置，并将其传递至计算单元24。该计算单元24可随后将这些角位置转换成线性单元10的位置。

除了图2中的设置之外，第三齿轮18也可与齿轮14、16中的仅一个耦接，如图3中所示。在这种情况下，变速器4与第三齿轮18耦接，该第三齿轮18通过其旋转使得第一齿轮14发生旋转。由于这些齿轮彼此啮合，则第一齿轮14的旋转又传递至第二齿轮16的旋转。

如图4所示，也能够为位置确定单元12使用仅两个齿轮14、16。在该图中，变速器4直接与第一齿轮14耦接，该第一齿轮14将其旋转传递至第二齿轮16。此外，在这种情况下，两个单圈式绝对旋转编码器20、22与齿轮14、16耦接，并获得其角位置。

在以上所示的实施方式中，绝对旋转编码器通过两个单圈式绝对旋转编码器20、22形成。此外，还能够使用绝对旋转编码器的其他实现形式，例如一个多圈式绝对旋转编码器或者多于两个单圈式绝对旋转编码器。

通过前述系统有可能实现的是，在电源故障或关断的情况下也可保持线性单元的位置，这是因为使用了绝对旋转编码器，其在重新接通时不需要任何新的引用。