确定旋转构件的角位移、角速度和角加速度的系统和方法与流程

本发明涉及一种用于确定角位移、角速度和角加速度的系统和方法。特别是，本发明涉及一种用于确定安装到工作台的旋转构件的角位移、角速度和角加速度的系统和方法。

背景技术：

车轮速度传感器是汽车工业中必需的abs组件和传感器输入。车轮速度传感器输入用于将转动车轮速度告知abs控制模块。在当今的车辆上有两种类型的传感系统。图1a示出了被动车轮轮毂感测系统10，而图2a示出了主动车轮轮毂感测系统30。

像图1a所示的那样的被动传感器15生成ac信号，该ac信号随着车轮改变速度而改变频率。abs控制模块将图1b所示的ac信号转换为数字信号以进行解释。其监控所有车轮速度输入。如果一个车轮开始旋转为比其他车轮慢，则系统将降低对该车轮的液压压力，直到其恢复牵引力(traction)为止。被动的现有技术感测使用齿轮(或开槽盘)20，并且根据可变磁阻方法来运行。精度取决于齿数。齿数越多，精度越高。图2b示出了通过被动感测产生的产生(/感应)电压波形。

像图2a所示的那样的主动传感器35生成感应电压。主动的现有技术感测利用从旋转磁环40产生的磁通量，并且根据霍尔效应原理来运行。磁通量随空气间隙变化，并且生成方波电压。图2b示出了通过主动感测产生的方波电压波形45。

技术实现要素：

根据一个或多个实施方式，提供一种用于确定在轴向上安装到工作台的旋转构件的角位移、角速度和角加速度的系统。所述系统包括：至少一个数字存储盘，所述至少一个数字存储盘上同心地存储有数据，所述数据以凹区和凸区的形式设置，所述盘安装在所述旋转构件的外周上，所述盘和所述旋转构件具有相同的旋转轴；至少一个激光发射器，用于发射指向所述盘的激光束；至少一个激光接收器，用于接收所发射的激光束的反射部分；至少一个处理器；以及至少一个存储器，在所述至少一个存储器上存储有用于确定所述旋转构件的所述角位移、角速度和角加速度的软件，所述软件包括能够由所述至少一个处理器执行的指令，以使得用于确定所述旋转构件的所述角位移、角速度和角加速度的所述系统：识别在初始测试运行期间计数的所述盘的每圆周的位数，以建立校准的位计数值，将所述校准的位计数值记录到所述存储器中；确定在验证循环期间计数的所述盘的每圆周的位数，将所述验证循环的位计数值记录到存储器中；确定在所述校准循环期间计数的位数与在所述验证循环期间计数的位数之间的比；并且基于在所述校准循环与所述验证循环之间确定的所述比，计算所述旋转构件的角位移；通过获取角位移相对于时间的变化率，将所述旋转构件的所述角位移计算为角速度；并且通过获取角速度相对于时间的变化率，将所述旋转构件的所述角速度计算为角加速度。

根据本发明的第一方面，通过以下协议获得接收到的所述反射部分：当所述激光束落在凹区上时，所述激光束散射并且什么也不接收到，这使得数字0被记录在计算机的存储器中，当所述激光束落在凸区上时，所述激光束反射回到所述激光接收器，这使得数字1被记录到计算机的存储器中。

根据本发明的第二方面，所述工作台是用于车辆的车轮轮毂轴承组件。

根据本发明的第三方面，所述存储盘是具有0.1mm至1cm的厚度的条。

根据本发明的另一方面，由于极对的数量大于48且小于500000，因此所述系统是高精度的，其提供达到1.5弧秒的分辨率。

在本发明的另一方面中，所述外周是轴承罩。

在本发明的另一方面中，所述外周是旋转轴。

在本发明的另一方面中，所述外周是内圈。

在本发明的另一方面中，由于所述盘由非磁性材料制成，因此所述盘对磁场不敏感。

在本发明的另一方面中，所述旋转构件与以下项中的至少一者相关联：制动驱动器、制动鼓、赛车和高速列车、涡轮机、发电机、泵电动机、风扇马达、凸轮轴、齿轮箱、车轮滑动保护系统、状态监控系统、高精度医疗设备、高速工业机器、机器人和汽车轮毂。

在本发明的另一方面中，所述盘的最小厚度等于所述凹区的宽度。

在本发明的最后的实施方式中，提供一种用于确定安装到车辆的车轮轮毂轴承组件的角位移、角速度和角加速度的系统。所述系统包括：至少一个数字存储盘，所述至少一个数字存储盘同心地存储有数据，所述数据以凹区和凸区的形式设置，所述盘安装在所述车轮轮毂的外周上，所述盘和所述车轮轮毂具有相同的旋转轴；至少一个激光发射器，用于发射指向所述盘的激光束；至少一个激光接收器，用于接收所发射的激光束的反射部分；至少一个处理器；以及至少一个存储器，在所述至少一个存储器上存储有用于确定所述车轮轮毂轴承组件的所述角位移、角速度和角加速度的软件，所述软件包括能够由所述至少一个处理器执行的指令，以使得用于确定所述车轮轮毂的所述角位移、角速度和角加速度的所述系统：识别在初始测试运行期间计数的所述盘的每圆周的位数，以建立校准的位计数值，将所述校准的位计数值记录到所述存储器中；确定在验证循环期间计数的所述盘的每圆周的位数，将所述验证循环的位计数值记录到存储器中；确定在所述校准循环期间计数的位数与在所述验证循环期间计数的位数之间的比；并且基于在所述校准循环与所述验证循环之间确定的所述比，计算所述车轮轮毂的角位移；通过获取角位移相对于时间的变化率，将所述车轮轮毂的所述角位移计算为角速度；并且通过获取角速度相对于时间的变化率，将所述车轮轮毂的所述角速度计算为角加速度。

在本发明的另一实施方式中，提供一种用于确定旋转构件的角位移、角速度和角加速度的方法。所述方法包括：提供：至少一个数字存储盘，所述至少一个数字存储盘同心地存储有数据，所述数据以凹区和凸区的形式设置，所述盘安装在所述旋转构件的外周上，所述盘和所述旋转构件具有相同的旋转轴；至少一个激光发射器，用于发射指向所述盘的激光束；至少一个激光接收器，用于接收所发射的激光束的反射部分；至少一个处理器；以及至少一个存储器，在所述至少一个存储器上存储用于确定所述旋转构件的所述角位移、角速度和角加速度的软件，所述软件包括能够由所述至少一个处理器执行的指令，以使得用于确定所述旋转构件的所述角位移、角速度和角加速度的所述系统执行以下步骤：识别在初始测试运行期间计数的所述盘的每圆周的位数，以建立校准的位计数值，将所述校准的位计数值记录到所述存储器中；确定在验证循环期间计数的所述盘的每圆周的位数，将所述验证循环的位计数值记录到存储器中；确定在所述校准循环期间计数的位数与在所述验证循环期间计数的位数之间的比；基于在所述校准循环与所述验证循环之间确定的所述比，计算所述旋转构件的角位移；通过获取角位移相对于时间的变化率，计算所述角速度；并且通过获取角速度相对于时间的变化率，计算所述角加速度。

附图说明

现将参考附图以示例的方式描述本发明，其中：

图1a示出用于确定安装到工作台的旋转构件的角位移、角速度和角加速度的第一现有技术车轮轮毂速度感测系统，

图1b示出由图1a的第一现有技术系统产生的波形，

图2a示出用于确定安装到工作台的旋转构件的角位移、角速度和角加速度的现有技术车轮轮毂速度感测系统，

图2b示出由图2a的第二现有技术系统产生的波形，

图3示出根据一个或多个实施方式的用于确定安装到工作台的旋转构件的角位移、角速度和角加速度的处理器实现系统的框图；

图4示出根据一个或多个实施方式的用于确定安装到工作台的旋转构件的角位移、角速度和角加速度的系统和读取的数据的示意图；

图5示出根据一个或多个实施方式的示出数字存储数据盘的各种示例性实施方式的示意图；

图6示出根据一个或多个实施方式的布置在同心的数字存储盘上的各种凹区和凸区的放大图；

图7示出根据一个或多个实施方式的写入到数字存储盘的外表面上的微米范围内的各种数据极的尺寸的截面；

图8示出根据一个或多个实施方式的写入到数字存储盘的外表面上的各种数据极的规模的平面图。

图9示出根据一个或多个实施方式的用于确定安装到工作台的旋转构件的角位移、角速度和角加速度的系统的流程图。

具体实施方式

以下详细描述参考附图。只要可能，在附图中使用相同的附图标记，并且以下描述涉及相同或相似的部分。虽然在此描述本公开的若干示例性实施方式和特征，但是在不脱离本公开的精神和范围的情况下，变型、适应性调整以及其他实现方式是可行的。因此，以下详细描述不限制本公开。而本公开的合适范围由所附的权利要求限定。

示出现有技术的图1a、图1b、图2a和图2b已在背景技术中公开，下面将不再赘述。

图3示出根据本发明的一个或多个实施方式的用于确定角位移、角速度和角加速度的系统100。系统100包括轴向安装在工作台105内的旋转构件110。也参见图4。在这种情况下，工作台是车轮轴承轮毂组件105，车轮轴承轮毂组件105具有固定部分145以及安装在固定部分145中的至少一个旋转构件110。工作台105的固定部分145通常经由布置在固定部分145与旋转构件110之间的多个轴承滚子108来支撑轴向安装的旋转构件110。

轴向安装在工作台内的旋转构件的示例和/或旋转构件可以提供(但不限于)下列项中的一者：制动驱动器、制动鼓、赛车和高速列车(racingandbullettrain)、涡轮机、发电机、泵电动机、风扇马达、凸轮轴、齿轮箱、车轮滑动保护系统、状态监控系统、高精度医疗设备、高速工业机器、机器人和汽车轮毂(roboticandautomotivehub)、传动系统、轴、带轴的转向架、轴箱、牵引电动机、车轮、齿轮、叶轮、轴承、定子、转子、电转子、涡轮、杆和绕组。

系统100还包括至少一个数字存储盘125，至少一个数字存储盘125上同心地存储有数据155。这里，盘是由非磁性材料制成的，因此其对磁场不敏感。

数据155以凹区(或凹槽，pit)165和凸区(或小岛，land)170的形式设置。凹区165和凸区170记录在盘125的表面156上。也参见图6。这里，盘125安装在旋转构件110的外周135上。盘125和旋转构件110具有相同的旋转轴线a。

系统100还提供计算机130。计算机130包括处理器140和存储器150，存储器150包含布置在其上的软件160，软件160用于确定旋转构件110的角位移、角速度和角加速度。软件160包括由至少一个处理器140可执行的指令。

系统100还提供组合的激光发射器及接收器120。组合的激光发射器及接收器120包括发射指向(/朝向)盘125的激光束的激光发射器部分le(lasere)。组合的激光发射器及接收器120还包括接收所发射的激光束le的反射部分的激光接收器lr(laserr)。

通过以下协议获得所接收的反射部分。当发射的激光束le落在凹区165上时，激光束散射，什么也不会接收到。这使得数字0被记录在计算机130的存储器150中。

作为一种选择，当发射的激光束le落在凸区170上时，发射的激光束被反射回激光接收器lr部分。所接收的激光束使得数字1被记录到计算机130的存储器150中。

如前所述，软件160包括存储在存储器150内的指令，该指令能够由至少一个处理器140执行，以执行下面将公开的以下系统功能。

校准循环(calibrationcycle)

初始地识别在初始测试运行期间计数的盘的每圆周的位数，以建立校准的位计数阈值。这里，以额定速度和预定周长对系统100的旋转构件125进行测试，以确定1和0的校准的位计数阈值。这是与记录(或刻录)到盘125上的数据相关联地完成的。

一旦被识别，校准的位计数阈值被记录到存储器150中，并且可以被调出，用于将来的处理/分析或显示。与处理器140相关联的软件160经由算法考虑在测试期间在盘旋转时组合的激光束发射器及接收器发射并从盘接收反射光束的频率。

图7示出凹区和凸区的如它们可以被记录到圆盘125中的各种微米极(pole)尺寸。凹区由标号161-164表示，凸区由标号171、172、173、174和175表示。如可以看出的，可以设置不同的极尺寸，以生成不同的位计数。也就是说，可以如所示将极尺寸的长度调节为更长或更短。极尺寸的长度根据所期望的位计数而预先确定。如此，极尺寸可以配置为获得所期望的位计数。

对于凹区161、162、163和164同样如此。使用本发明的技术，可以有利地将极尺寸设置在微米范围内。这允许提供比现有技术的极数量级更大的极数量级的配置。这是因为系统100可以被配置为包括多达500,000个极对数，这将提供达到1.5弧秒(secondsofanarc)的角分辨率。

图8示出各种极的规模t3、t4、t5、t6、t7、t8、t9、t10和t11。极的规模可以在833nm至3054nm的范围。可以去除数字存储盘125的中心。留下如图5所示的圆形条或环126。圆形条或环126可以设置有在0.1mm至1cm范围内的厚度。然而，盘的厚度遵循以下规则：盘125的最小厚度等于凹区的宽度w。

图5示出将条或环126安装到不同外周的实施方式。例如，环126可以安装到轴承罩109的外周。图5可选地示出环126安装到内圈106的外周。图5可选地示出环126安装到外圈107的旋转轴的外周。图5可选地示出环126安装到驱动轴108的外周。

验证循环(verificationcycle)

然后，确定在验证循环期间计数的盘的每圆周的位数。验证循环可以在安装到车辆(未示出)之后直接运行，或者例如可以在车辆运行两年后在维修车间的例行服务期间运行。这样，在校准循环与何时运行验证循环之间经过的时间是不固定的。这里，在与测试校准循环相同的条件下测试系统100。一旦确定，验证循环位计数值被存储到存储器150中，并且可以被调出以用于将来的处理/分析或显示。

角位移

由存储在存储器150内的软件160(算法)确定在确定的校准循环期间计数的位数与在验证循环期间计数的位数之间的比。旋转构件的角位移基于在校准循环与验证循环之间确定的比来计算。再次，该功能由处理器存储在存储器150内的软件160执行。一旦被识别，角位移被记录到存储器150中，并且可以被调出以用于将来的处理/分析或显示。

角速度

通过获取角位移相对于时间的变化率，将上面确定的旋转构件的角位移计算为角速度。一旦被识别，角速度值被记录到存储器150中，并且可以被调出以用于将来的处理/分析或显示。

角加速度

通过获取角速度相对于时间的变化率，将上面确定的旋转构件的角速度计算为角加速度。一旦被识别，角加速度值被记录到存储器150中，并且可以被调出以用于将来的处理/分析或显示。

至少一个处理器140可以包括经由系统总线联接到至少一个存储器150和各种其他组件的一个或多个中央处理单元(cpu)，也称为处理电路。至少一个处理器140执行系统100的软件160，以执行上面提到的系统计算。

至少一个存储器150可以包括只读存储器(rom)和随机存取存储器(ram)。rom联接到系统总线，并且可以包括基本输入/输出系统(bios)，所述bios控制系统的某些基本功能。ram是联接到系统总线以供至少一个处理器140使用的读写存储器。至少一个存储器150是由至少一个处理器140可读取的有形存储介质的示例，其中，软件160存储为指令，以由至少一个处理器140执行，以使得用于执行矢量分析的系统100运行，诸如，如本文中所述的。

图9示出用于确定旋转构件的角位移、角速度和角加速度的处理器实现的方法的处理流程300。

该方法首先包括提供至少一个数字存储盘的步骤310，所述至少一个数字存储盘同心地存储有数据。数据以凹区和凸区的形式设置。盘安装在旋转构件的外周上。盘和旋转构件具有相同的旋转轴，该方法还包括提供：用于发射指向盘的激光束的至少一个激光发射器、用于接收所发射的激光束的反射部分的至少一个激光接收器、至少一个处理器以及其上存储有用于确定旋转构件的角位移、角速度和角加速度的软件的至少一个存储器。该软件包括可由所述至少一个处理器执行以使得用于确定旋转构件的角位移和速度的系统执行以下步骤的指令。

在步骤320中，识别在初始测试运行期间计数的盘的每圆周的位数，以建立校准的位计数值，将校准的位计数值记录到存储器中。

在步骤330中，确定在验证循环期间计数的盘的每圆周的位数，将验证循环的位计数值记录到存储器中。

在步骤340中，确定在校准循环期间计数的位数与在验证循环期间计数的位数之间的比。

在步骤350中，基于在校准循环与验证循环之间确定的比来计算旋转构件的角位移。

在步骤360中，通过获取角位移相对于时间的变化率来计算角速度，并且在步骤370中，通过获取角速度相对于时间的变化率来计算加速度。

工业上使用的当前现有技术设计具有仅产生有限数量的极对的制造限制，该数量小于48。本文中公开的发明按数量级增加了极对，并且将精度提高至1.5弧秒。而且，制造变得更简单，这提供了成本效益的方案。装置的尺寸也可以大大减小。

计算机可读存储介质可以是有形装置，其可以保留和存储指令以供指令执行装置使用。例如，计算机可读存储介质可以是但不限于：电子存储装置、磁存储装置、光存储装置、电磁存储装置、半导体存储装置或前述的任何适当组合。计算机可读存储介质的更具体示例的非详尽列表包括以下内容：便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或闪存)、静态随机存取存储器(sram)、便携式光盘只读存储器(cd-rom)、数字通用光盘(dvd)、记忆棒、软盘、机械编码装置(诸如，在其上记录有指令的穿孔卡(punch-card)或凹槽中的凸起结构)以及前述的任何适当组合。如本文中所使用的计算机可读存储介质不应被理解为本身是瞬时信号，诸如，无线电波或其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输介质传播的电磁波(例如，穿过光纤缆线的光脉冲)或通过电线传输的电信号。

用于执行本发明的操作的计算机可读程序指令可以是汇编指令、指令集架构(isa)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、用于集成电路的配置数据或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述一种或多种编程语言包括诸如smalltalk、c++等的面向对象的编程语言以及诸如“c”编程语言或类似的编程语言的程序性编程语言。计算机可读程序指令可以完全在用户的计算机上执行、部分地在用户的计算机上执行、作为独立的软件包执行、部分地在用户的计算机上并且部分地在远程计算机上执行或者完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况下，远程计算机可以通过任何类型的网络(包括局域网(lan)或广域网(wan))连接到用户的计算机，或者可以(例如，通过使用互联网服务提供商的互联网)连接到外部计算机。在一些实施方式中，包括例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(fpga)或可编程逻辑阵列(pla)的电子电路可以通过利用计算机可读程序指令的状态信息来执行计算机可读程序指令，以个性化电子电路，执行本发明的各方面。

在此参照根据本发明的实施方式的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图示和/或框图来描述本发明的各方面。将理解，流程图示和/或框图中的每个块以及流程图示和/或框图中的块的组合可以由计算机可读程序指令实现。

这些计算机可读程序指令可被提供给通用计算机、专用计算机或用于生产机器的其他可编程数据处理设备的处理器，使得经由计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令创建用于实现在流程图和/或一个或多个框图块中指定的功能/动作的装置。这些计算机可读程序指令还可以存储在计算机可读存储介质中，计算机可读存储介质可以指示计算机、可编程数据处理设备和/或以特定方式运行的其他装置，使得其中存储有指令的计算机可读存储介质包括具有实现流程图和/或一个或多个框图块中指定的功能/动作的各方面的指令的制成品。

计算机可读程序指令还可以被加载到计算机、其他可编程数据处理设备或其他装置上，以使待在计算机、其他可编程设备或其他装置上执行的一系列操作步骤产生计算机实现的处理，使得在计算机、其他可编程设备或其他装置上执行的指令实现在流程图和/或一个或多个框图块中指定的功能/动作。

附图中的流程图和框图示出根据本发明的各种实施方式的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。就此而言，流程图或框图中的每个块可以表示指令的模块、段或部分，其包括用于实现指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些可选的实施方式中，块中提到的功能可以不按图中提到的顺序发生。例如，根据所涉及的功能，连续示出的两个块实际上可以基本上同时执行，或者这些块有时可以以相反的顺序执行。还应注意的是，框图和/或流程图示的每个块以及框图和/或流程图示中的块的组合可以由执行指定功能或动作或者实施专用硬件指令和计算机指令的组合的专用基于硬件的系统来实现。

在此使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而非意于限制。除非上下文另有明确说明，否则如在此所使用的，单数形式也意于包括复数形式。将进一步理解的是，当在说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定存在所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或者添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

已经出于说明的目的在此呈现了各种实施方式的描述，但是并不意于穷举或限制于所公开的实施方式。在不脱离所描述的实施方式的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。选择在此使用的术语是为了最好地解释实施方式的原理、实际应用或市场中发现的技术之上的技术改进，或者是为了使其他本领域普通技术人员能够理解在此公开的实施方式。