工业机器人执行过程中的转子位置传感器的选择

工业机器人执行过程中的转子位置传感器的选择

0伺服电机系统的速度、位置传感器工业机器人的自动驾驶控制系统利用不同电机之间的力和力，直接或间接地驱动机器人本身，并获得各种机器人的运行系统。工业机器人电动伺服系统的一般结构为三个闭环控制,即电流环、速度环和位置环。而位置传感器是伺服电动机系统的重要组成单元,作为一个伺服电动机系统,为了实现优越的伺服性能,其传感器应能精确地反映转子的位置与速度,这就要求系统的速度及位置传感器应具有灵敏度高、动态性能好、精度高、抗干扰能力强等特点。本文在确保工业机器人伺服机构可靠运行前提下,以降低位置传感器为目的,提出永磁同步电动机作为执行结构,采用磁编码器进行转子位置检测,分析磁编码器的工作原理,设计了磁编码器的信号处理电路,以及与电机控制DSP接口电路,采用绝对位置信号进行电动机的空间矢量控制,实验结果表明,系统控制效果良好。1旋转编码的特点磁编码器有一个用磁记录设备中使用的某种磁性材料涂覆过的旋转圆盘(磁鼓),磁鼓上的磁性材料按照一定的规律排列,利用磁敏感元件检测旋转圆盘旋转时磁场的变化,从而得到圆盘旋转的信息。磁编码器具有光学编码器所没有的优点:(1)由于所用的磁敏电阻高频特性好,所以响应速度快;(2)耐环境性能好,不怕油、灰尘,可在气温变化激烈的地方使用,可靠性高;(3)由于不用发光二极管,所以使用寿命长,耗电少;(4)基本部件少,结构简单,适于大规模生产,价格便宜;(5)耐振动、抗冲击性好。旋转式磁编码器是一种应用磁电阻效应的编码器,主要由磁鼓和磁阻探头两部分组成,如图1所示。旋转编码器采用的单极或多极磁鼓的制作,在铝鼓的外缘覆盖一层磁性材料,在这层磁介质上记录着有一定间距的磁极信号。磁鼓每个磁极的外部磁场如图2所示。由于磁阻效应的原理,磁敏电阻只对磁场Y方向的分量敏感。当磁敏电阻运动到磁极对的正上方时,磁场Y方向的分量最小,相应的,此时磁敏电阻的阻值也最小;当磁敏电阻运动到两个磁极对的交界处时,Y方向的磁场分量最大,相应磁敏电阻的阻值最大。这样,磁鼓旋转时,每个磁极对交替通过磁敏电阻表面,磁敏电阻的阻值相应产生周期性变化,磁鼓每旋转一个磁化长度,磁场变化半周,信号输出则变化一个周期,磁鼓上磁极对的数量和输出信号的周期数在旋转一周时是相等的。所以通过检测这种周期性的变化,就可以得到磁鼓转动的速度和位置信息。2磁床设计AS5040是一个无接触的磁编码器,能够用于360°全角度精确定位。是内部集成了霍尔元件、模拟前端、以及数字信号处理的片上系统。2.1集成的磁场安装AS5040的绝对角度测量能够提供分辨率为0.35°的瞬时位置指示,相当于每转有1024个位置采样点。这可以通过连续的字符串和PWM信号来表示。为了测量角度,需要一个简单的两极磁场围绕芯片的中心旋转。这个磁场可以放置在芯片的上部或下部。AS5040是一个无接触的磁编码器,完全的片上系统。在单个封装内整合了集成式Hall元件、模拟前端和数据信号处理功能。测量角度时,只需简单地配备1个在芯片中心上方旋转的双极磁铁即可。磁铁可以安装在IC的上方或下方。它提供灵活的系统解决方案,能够同时提供增量输出和PWM输出,无接触位置传感可以完美地应用于苛刻的环境下,对磁场未校准和气隙不均匀的容错能力,同时旋转编码器不必进行温度补偿。2.2数字音频和增量输出AS5040采用CMOS标准工艺与霍尔纺纱电流工艺来感应穿过芯片表面的磁场分布。集成的霍尔元件分布在装置的中心周围以传送电压信号,这些电压信号能够表示IC表面的磁场强弱。其内部结构图如图3所示。通过Σ-Δ模/数转换和数字信号处理运算法则,AS5040提供了准确的高精度绝对角位置信息。为此,由旋转坐标数字计算机计算霍尔元件序列信号的角度和大小。DSP同样被用来在MagINCn和MagDECn输出中提供数字信息,其中MagINCn和MagDECn指示了磁场拉近或远离装置表面的运动。AS5040能够感应磁场方向并且计算10位二进制代码。这个代码能够通过同步串行接口(SSI)读取。此外,还有一个绝对角度表示,由12脚输出的脉宽调制信号来表示。除了绝对角位置信息外,这个装置同时还提供了增量输出信号。各种增量输出模式可以通过编辑一次性编程(OTP)模式寄存器来选择。只要管脚PROG没有一个长时间的编辑电压,新的设置就可以在任意时刻或者电压关断时自动重置为默认值。要想长久保存设置,就必须编辑一次性编程寄存器。默认模式为积分A/B模式,其中包含一个Index信号,这个Index信号为最小(LSB)脉宽的脉冲。这个Index信号在用户可编程的零位置为逻辑高电平。AS5040能够容许磁场的未校准和偏磁,是由于采用了微分测量技术和霍尔传感器控制电路。2.3号中央—AS5040通讯功能设计系统绝对角位置的采样频率为10kHz。允许0.1秒内读取全部1024个位置,并且没有任何位置遗漏。10Hz乘以60得到相应的最大转速为600转/分。如图4所示,如果CSn改变为逻辑低电平,数据输出(DO)将由高阻态(三态)变为逻辑高电平并开始读出数据。经过一段极短的时间tCLKFE,数据在时钟信号第一个下降沿来临时写入转换寄存器。每个后续时钟信号上升沿来临时输出一位数据。连续字节包括16位,头10位是角度信息D[9:0],后续的6位为系统信息,用于校验数据,如:OCF、COF、LIN、奇偶和磁场状态(增强/减弱)。其中,D9-D0为绝对角位置数据,最高有效位在第一个时钟信号之后;OCF为偏移量补偿完成标识位,逻辑高电平指示对于快速起动偏移量补偿运算的完成,这一位可以由外部微控制器选定。一旦此位被设置,AS5040就已经完成了起动,同时数据生效。COF为Cordic溢出位,逻辑高电平指示协调旋转数字计算机存在溢出错误。当此位设置后,D9-D0的数据无效。绝对输出保持最近的有效角度值。LIN为线性警报,逻辑高电平指示输入场产生了临界的线性输出。当此位设定,D9-D0的数据仍然被使用,但包含无效数据。磁场处在X-Y-Z允许的范围内此警告能够去除;MagINCn为磁场增加标识,其变高电平,磁场向芯片推进,磁场强度将增加;MagDECn为磁场减小标识,其变高电平,磁场背离芯片移动,磁场强度将减小。2.4选择时,电机和接口之间的方向垂直芯片提供了3种可能的增量输出模式,正交A/B为缺省模式。图5显示了双通道正交信号,以及步/方向增量信号(LSB)、顺时针(CW)和逆时针(CCW)方向的方向位。通道A与通道B之间的相移指示了磁铁运动的方向。磁铁顺时针(俯视)旋转时,通道A超前通道B电气角度90度。逆时针方向旋转时,通道B的相位超前于通道A。LSB输出反映编程设置的增量分辨率下的LSB。Dir输出提供磁铁旋转的方向信息,磁铁可以安装在器件的上方或下方(1=顺时针;0=逆时针;俯视)。Dir在每次LSB改变时进行更新。2.5prog管脚编程上电后,在Prog为逻辑高电平,且CSn的上升沿来临时便能够对AS5040进行编程。16位的配置数据一定要顺序地由Prog管脚转移至一次性编程寄存器。第一个“CCW”位跟随着零位置数据和增量模式设置。在CLK的上升沿来临时数据必须有效,如图6所示。向一次性寄存器里写完数据后,可以通过升高Prog管脚的电压到编程电压VPROG来对其进行永久性编程。完成编程需要16个时钟脉冲(tPROG)。要退出编程模式,芯片必须重新起动。当再次上电后,编程后的数据便可以使用了。编程过程中,编程电流的变换可以使连接电缆感应出高电压引起电压击穿。为了避免这样的击穿和对芯片可能产生的损害,连接电缆特别是连接PROG和VSS的电缆必须尽可能地短。为了抑制电压击穿,在PROG管脚和VSS之间应该连接一个10nF的陶瓷电容。这个电容只是在编程时起保护作用,而在正常工作的时候不起任何作用。需要给时钟选取一个适当的速率以保证在时钟上升沿来临时PROG信号稳定,如图7、图8所示。另外,编程的供电电压应该经过一个10μF电容缓冲处理,这个电容是紧挨着开关管放置的。这个电容可以帮助避免编程时的尖峰电流。PROG管脚特定的编程电压是7.3-7.5V。为了补偿经过VPROG开关管的漏电压,实际的编程电压应该稍微的高一点,可以设置为7.5-8.0V,如图7、图8所示。3旋转磁编码的工作原理工业机器人机伺服系统位置传感器采用旋转磁编码器,其结构简单,抗振动、干扰性能好。结构上由定子和转子组成。系统控制原理图如图9所示。DSP控制器完成检测信号的A/D转换,完成位置调节器、速度调节器、电流调节器以及逆变器驱动SVPWM信号汁算。位置传感器通过输出端的直线电位器给出,给定动子位置传感器检测实际动子位置信号θ,位置伺服系统给定位置信号θ*,两者比较后得到位置误差信号Δθ=θ*-θ,该位置误差信号经过位置调节器PI调节后,输出动子速度给定信号ω*。实际动子速度信号由实际动子位置信号经过速度计算模块得到,指令动子速度与实际速度比较后形成速度误差信号Δω=ω*-ω,速度误差信号作为速度调节器的输入,再经过速度调节输出q轴电流指令iq*相当于电磁转矩给定信号,期望电机的电磁转矩达到给定值T*em.并根据动子速度确定直轴电流指令值id*。利用动子位置角信号进行坐标变换,计算出实际dq电流指令值id和iq直轴与交轴指令电流id*和iq*与实际电流id和iq比较,分别得到直轴与交轴电流分量的误差信号Δid=id*-id和Δiq=iq*-iq。再根据电流调节器控制算法分别获得直轴与交轴电压指令信号uq*和ud*,直轴与交轴电压指令信号uq*和ud*经过Park逆变换得到定子静止两相坐标系统中的电压指令信号uα*和uβ*。根据电压指令信号uα*和uβ*,利用电压空间矢量调制技术获得实际三相电压SVPWM信号,控制电压源逆变器开关状态,使得直线永磁同步电机按照指令信号工作。系统结构图如图10所示。测试旋转磁编码器功能时,首先采用电机对拖,通过DSP采集编码器的转子位置信号,测量电机绕组反电势与转子位置信号的关系。图11为电机编码器输出位置波形和反电势波形,波形表明电机转子位置信号采集准确,同时初始相位正确。图12为电机伺服系统在工作时的电机编码器输出位置波形和电机相电流波形