工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行過程中的轉(zhuǎn)子位置傳感器的選擇

工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行過程中的轉(zhuǎn)子位置傳感器的選擇

0伺服電機(jī)系統(tǒng)的速度、位置傳感器工業(yè)機(jī)器人的自動駕駛控制系統(tǒng)利用不同電機(jī)之間的力和力，直接或間接地驅(qū)動機(jī)器人本身，并獲得各種機(jī)器人的運(yùn)行系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人電動伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)為三個閉環(huán)控制,即電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。而位置傳感器是伺服電動機(jī)系統(tǒng)的重要組成單元,作為一個伺服電動機(jī)系統(tǒng),為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的伺服性能,其傳感器應(yīng)能精確地反映轉(zhuǎn)子的位置與速度,這就要求系統(tǒng)的速度及位置傳感器應(yīng)具有靈敏度高、動態(tài)性能好、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。本文在確保工業(yè)機(jī)器人伺服機(jī)構(gòu)可靠運(yùn)行前提下,以降低位置傳感器為目的,提出永磁同步電動機(jī)作為執(zhí)行結(jié)構(gòu),采用磁編碼器進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置檢測,分析磁編碼器的工作原理,設(shè)計了磁編碼器的信號處理電路,以及與電機(jī)控制DSP接口電路,采用絕對位置信號進(jìn)行電動機(jī)的空間矢量控制,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)控制效果良好。1旋轉(zhuǎn)編碼的特點(diǎn)磁編碼器有一個用磁記錄設(shè)備中使用的某種磁性材料涂覆過的旋轉(zhuǎn)圓盤(磁鼓),磁鼓上的磁性材料按照一定的規(guī)律排列,利用磁敏感元件檢測旋轉(zhuǎn)圓盤旋轉(zhuǎn)時磁場的變化,從而得到圓盤旋轉(zhuǎn)的信息。磁編碼器具有光學(xué)編碼器所沒有的優(yōu)點(diǎn):(1)由于所用的磁敏電阻高頻特性好,所以響應(yīng)速度快;(2)耐環(huán)境性能好,不怕油、灰塵,可在氣溫變化激烈的地方使用,可靠性高;(3)由于不用發(fā)光二極管,所以使用壽命長,耗電少;(4)基本部件少,結(jié)構(gòu)簡單,適于大規(guī)模生產(chǎn),價格便宜;(5)耐振動、抗沖擊性好。旋轉(zhuǎn)式磁編碼器是一種應(yīng)用磁電阻效應(yīng)的編碼器,主要由磁鼓和磁阻探頭兩部分組成,如圖1所示。旋轉(zhuǎn)編碼器采用的單極或多極磁鼓的制作,在鋁鼓的外緣覆蓋一層磁性材料,在這層磁介質(zhì)上記錄著有一定間距的磁極信號。磁鼓每個磁極的外部磁場如圖2所示。由于磁阻效應(yīng)的原理,磁敏電阻只對磁場Y方向的分量敏感。當(dāng)磁敏電阻運(yùn)動到磁極對的正上方時,磁場Y方向的分量最小,相應(yīng)的,此時磁敏電阻的阻值也最小;當(dāng)磁敏電阻運(yùn)動到兩個磁極對的交界處時,Y方向的磁場分量最大,相應(yīng)磁敏電阻的阻值最大。這樣,磁鼓旋轉(zhuǎn)時,每個磁極對交替通過磁敏電阻表面,磁敏電阻的阻值相應(yīng)產(chǎn)生周期性變化,磁鼓每旋轉(zhuǎn)一個磁化長度,磁場變化半周,信號輸出則變化一個周期,磁鼓上磁極對的數(shù)量和輸出信號的周期數(shù)在旋轉(zhuǎn)一周時是相等的。所以通過檢測這種周期性的變化,就可以得到磁鼓轉(zhuǎn)動的速度和位置信息。2磁床設(shè)計AS5040是一個無接觸的磁編碼器,能夠用于360°全角度精確定位。是內(nèi)部集成了霍爾元件、模擬前端、以及數(shù)字信號處理的片上系統(tǒng)。2.1集成的磁場安裝AS5040的絕對角度測量能夠提供分辨率為0.35°的瞬時位置指示,相當(dāng)于每轉(zhuǎn)有1024個位置采樣點(diǎn)。這可以通過連續(xù)的字符串和PWM信號來表示。為了測量角度,需要一個簡單的兩極磁場圍繞芯片的中心旋轉(zhuǎn)。這個磁場可以放置在芯片的上部或下部。AS5040是一個無接觸的磁編碼器,完全的片上系統(tǒng)。在單個封裝內(nèi)整合了集成式Hall元件、模擬前端和數(shù)據(jù)信號處理功能。測量角度時,只需簡單地配備1個在芯片中心上方旋轉(zhuǎn)的雙極磁鐵即可。磁鐵可以安裝在IC的上方或下方。它提供靈活的系統(tǒng)解決方案,能夠同時提供增量輸出和PWM輸出,無接觸位置傳感可以完美地應(yīng)用于苛刻的環(huán)境下,對磁場未校準(zhǔn)和氣隙不均勻的容錯能力,同時旋轉(zhuǎn)編碼器不必進(jìn)行溫度補(bǔ)償。2.2數(shù)字音頻和增量輸出AS5040采用CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝與霍爾紡紗電流工藝來感應(yīng)穿過芯片表面的磁場分布。集成的霍爾元件分布在裝置的中心周圍以傳送電壓信號,這些電壓信號能夠表示IC表面的磁場強(qiáng)弱。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。通過Σ-Δ模/數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理運(yùn)算法則,AS5040提供了準(zhǔn)確的高精度絕對角位置信息。為此,由旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)數(shù)字計算機(jī)計算霍爾元件序列信號的角度和大小。DSP同樣被用來在MagINCn和MagDECn輸出中提供數(shù)字信息,其中MagINCn和MagDECn指示了磁場拉近或遠(yuǎn)離裝置表面的運(yùn)動。AS5040能夠感應(yīng)磁場方向并且計算10位二進(jìn)制代碼。這個代碼能夠通過同步串行接口(SSI)讀取。此外,還有一個絕對角度表示,由12腳輸出的脈寬調(diào)制信號來表示。除了絕對角位置信息外,這個裝置同時還提供了增量輸出信號。各種增量輸出模式可以通過編輯一次性編程(OTP)模式寄存器來選擇。只要管腳PROG沒有一個長時間的編輯電壓,新的設(shè)置就可以在任意時刻或者電壓關(guān)斷時自動重置為默認(rèn)值。要想長久保存設(shè)置,就必須編輯一次性編程寄存器。默認(rèn)模式為積分A/B模式,其中包含一個Index信號,這個Index信號為最小(LSB)脈寬的脈沖。這個Index信號在用戶可編程的零位置為邏輯高電平。AS5040能夠容許磁場的未校準(zhǔn)和偏磁,是由于采用了微分測量技術(shù)和霍爾傳感器控制電路。2.3號中央—AS5040通訊功能設(shè)計系統(tǒng)絕對角位置的采樣頻率為10kHz。允許0.1秒內(nèi)讀取全部1024個位置,并且沒有任何位置遺漏。10Hz乘以60得到相應(yīng)的最大轉(zhuǎn)速為600轉(zhuǎn)/分。如圖4所示,如果CSn改變?yōu)檫壿嫷碗娖?數(shù)據(jù)輸出(DO)將由高阻態(tài)(三態(tài))變?yōu)檫壿嫺唠娖讲㈤_始讀出數(shù)據(jù)。經(jīng)過一段極短的時間tCLKFE,數(shù)據(jù)在時鐘信號第一個下降沿來臨時寫入轉(zhuǎn)換寄存器。每個后續(xù)時鐘信號上升沿來臨時輸出一位數(shù)據(jù)。連續(xù)字節(jié)包括16位,頭10位是角度信息D[9:0],后續(xù)的6位為系統(tǒng)信息,用于校驗(yàn)數(shù)據(jù),如:OCF、COF、LIN、奇偶和磁場狀態(tài)(增強(qiáng)/減弱)。其中,D9-D0為絕對角位置數(shù)據(jù),最高有效位在第一個時鐘信號之后;OCF為偏移量補(bǔ)償完成標(biāo)識位,邏輯高電平指示對于快速起動偏移量補(bǔ)償運(yùn)算的完成,這一位可以由外部微控制器選定。一旦此位被設(shè)置,AS5040就已經(jīng)完成了起動,同時數(shù)據(jù)生效。COF為Cordic溢出位,邏輯高電平指示協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機(jī)存在溢出錯誤。當(dāng)此位設(shè)置后,D9-D0的數(shù)據(jù)無效。絕對輸出保持最近的有效角度值。LIN為線性警報,邏輯高電平指示輸入場產(chǎn)生了臨界的線性輸出。當(dāng)此位設(shè)定,D9-D0的數(shù)據(jù)仍然被使用,但包含無效數(shù)據(jù)。磁場處在X-Y-Z允許的范圍內(nèi)此警告能夠去除;MagINCn為磁場增加標(biāo)識,其變高電平,磁場向芯片推進(jìn),磁場強(qiáng)度將增加;MagDECn為磁場減小標(biāo)識,其變高電平,磁場背離芯片移動,磁場強(qiáng)度將減小。2.4選擇時,電機(jī)和接口之間的方向垂直芯片提供了3種可能的增量輸出模式,正交A/B為缺省模式。圖5顯示了雙通道正交信號,以及步/方向增量信號(LSB)、順時針(CW)和逆時針(CCW)方向的方向位。通道A與通道B之間的相移指示了磁鐵運(yùn)動的方向。磁鐵順時針(俯視)旋轉(zhuǎn)時,通道A超前通道B電氣角度90度。逆時針方向旋轉(zhuǎn)時,通道B的相位超前于通道A。LSB輸出反映編程設(shè)置的增量分辨率下的LSB。Dir輸出提供磁鐵旋轉(zhuǎn)的方向信息,磁鐵可以安裝在器件的上方或下方(1=順時針;0=逆時針;俯視)。Dir在每次LSB改變時進(jìn)行更新。2.5prog管腳編程上電后,在Prog為邏輯高電平,且CSn的上升沿來臨時便能夠?qū)S5040進(jìn)行編程。16位的配置數(shù)據(jù)一定要順序地由Prog管腳轉(zhuǎn)移至一次性編程寄存器。第一個“CCW”位跟隨著零位置數(shù)據(jù)和增量模式設(shè)置。在CLK的上升沿來臨時數(shù)據(jù)必須有效,如圖6所示。向一次性寄存器里寫完數(shù)據(jù)后,可以通過升高Prog管腳的電壓到編程電壓VPROG來對其進(jìn)行永久性編程。完成編程需要16個時鐘脈沖(tPROG)。要退出編程模式,芯片必須重新起動。當(dāng)再次上電后,編程后的數(shù)據(jù)便可以使用了。編程過程中,編程電流的變換可以使連接電纜感應(yīng)出高電壓引起電壓擊穿。為了避免這樣的擊穿和對芯片可能產(chǎn)生的損害,連接電纜特別是連接PROG和VSS的電纜必須盡可能地短。為了抑制電壓擊穿,在PROG管腳和VSS之間應(yīng)該連接一個10nF的陶瓷電容。這個電容只是在編程時起保護(hù)作用,而在正常工作的時候不起任何作用。需要給時鐘選取一個適當(dāng)?shù)乃俾室员ＷC在時鐘上升沿來臨時PROG信號穩(wěn)定,如圖7、圖8所示。另外,編程的供電電壓應(yīng)該經(jīng)過一個10μF電容緩沖處理,這個電容是緊挨著開關(guān)管放置的。這個電容可以幫助避免編程時的尖峰電流。PROG管腳特定的編程電壓是7.3-7.5V。為了補(bǔ)償經(jīng)過VPROG開關(guān)管的漏電壓,實(shí)際的編程電壓應(yīng)該稍微的高一點(diǎn),可以設(shè)置為7.5-8.0V,如圖7、圖8所示。3旋轉(zhuǎn)磁編碼的工作原理工業(yè)機(jī)器人機(jī)伺服系統(tǒng)位置傳感器采用旋轉(zhuǎn)磁編碼器,其結(jié)構(gòu)簡單,抗振動、干擾性能好。結(jié)構(gòu)上由定子和轉(zhuǎn)子組成。系統(tǒng)控制原理圖如圖9所示。DSP控制器完成檢測信號的A/D轉(zhuǎn)換,完成位置調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器以及逆變器驅(qū)動SVPWM信號汁算。位置傳感器通過輸出端的直線電位器給出,給定動子位置傳感器檢測實(shí)際動子位置信號θ,位置伺服系統(tǒng)給定位置信號θ*,兩者比較后得到位置誤差信號Δθ=θ*-θ,該位置誤差信號經(jīng)過位置調(diào)節(jié)器PI調(diào)節(jié)后,輸出動子速度給定信號ω*。實(shí)際動子速度信號由實(shí)際動子位置信號經(jīng)過速度計算模塊得到,指令動子速度與實(shí)際速度比較后形成速度誤差信號Δω=ω*-ω,速度誤差信號作為速度調(diào)節(jié)器的輸入,再經(jīng)過速度調(diào)節(jié)輸出q軸電流指令iq*相當(dāng)于電磁轉(zhuǎn)矩給定信號,期望電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到給定值T*em.并根據(jù)動子速度確定直軸電流指令值id*。利用動子位置角信號進(jìn)行坐標(biāo)變換,計算出實(shí)際dq電流指令值id和iq直軸與交軸指令電流id*和iq*與實(shí)際電流id和iq比較,分別得到直軸與交軸電流分量的誤差信號Δid=id*-id和Δiq=iq*-iq。再根據(jù)電流調(diào)節(jié)器控制算法分別獲得直軸與交軸電壓指令信號uq*和ud*,直軸與交軸電壓指令信號uq*和ud*經(jīng)過Park逆變換得到定子靜止兩相坐標(biāo)系統(tǒng)中的電壓指令信號uα*和uβ*。根據(jù)電壓指令信號uα*和uβ*,利用電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)獲得實(shí)際三相電壓SVPWM信號,控制電壓源逆變器開關(guān)狀態(tài),使得直線永磁同步電機(jī)按照指令信號工作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。測試旋轉(zhuǎn)磁編碼器功能時,首先采用電機(jī)對拖,通過DSP采集編碼器的轉(zhuǎn)子位置信號,測量電機(jī)繞組反電勢與轉(zhuǎn)子位置信號的關(guān)系。圖11為電機(jī)編碼器輸出位置波形和反電勢波形,波形表明電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號采集準(zhǔn)確,同時初始相位正確。圖12為電機(jī)伺服系統(tǒng)在工作時的電機(jī)編碼器輸出位置波形和電機(jī)相電流波形