周 秀， 牛 勃， 馬飛越， 劉 剛， 孫大偉， 伍 弘

(國網(wǎng)寧夏電力公司 電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011)

基于TLE5012B的多圈絕對(duì)角度傳感器設(shè)計(jì)

周 秀， 牛 勃， 馬飛越， 劉 剛， 孫大偉， 伍 弘

(國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，寧夏銀川750011)

多圈絕對(duì)角度傳感器是機(jī)器人、汽車電子核心部件之一。TLE5012B角度傳感器基于集成巨磁阻(iGMR)技術(shù)，可檢測封裝磁場表面360°的變化，實(shí)現(xiàn)角度的非接觸式測量。提出了三齒輪機(jī)械結(jié)構(gòu)與TLE5012B角度傳感器相結(jié)合的分段函數(shù)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)位置高精度、大量程的非接觸式檢測，完成角度傳感器檢測量程與檢測精度的解耦。實(shí)驗(yàn)證明：利用該機(jī)械結(jié)構(gòu)的分段函數(shù)算法所設(shè)計(jì)的絕對(duì)角度傳感器可以實(shí)現(xiàn)檢測量程可調(diào)，檢測精度達(dá)到0.5°。

角度傳感器； 非接觸式； 大量程； 高精度； 分段函數(shù)算法

0 引 言

隨著電機(jī)電器、機(jī)器人及汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)電機(jī)性能及汽車行駛中安全性、舒適性等的不斷追求，高精度、大量程的角度傳感器成為了相應(yīng)工業(yè)領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。目前,TLE5012B高精度角度傳感器主要應(yīng)用于設(shè)備精度校準(zhǔn)，溫度、濕度、灰塵、振動(dòng)等外界環(huán)境,對(duì)其檢測精度干擾較大，導(dǎo)致該種高精度傳感器未在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用[1～3]。

本文通過對(duì)氣體絕緣變電站(gas insulated substation,GIS)設(shè)備檢查及異物清理機(jī)器人攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)角度的測量，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行高精度檢測的角度傳感器。該傳感器基于三齒輪機(jī)械結(jié)構(gòu)、STM8AF微處理器及TLE5012B角度傳感器。

1 TLE5012B角度傳感器

2 分段函數(shù)算法

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)多圈絕對(duì)角度傳感器為應(yīng)用于GIS設(shè)備檢查及異物清理的一種機(jī)器人，要求由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的攝像頭實(shí)現(xiàn)正負(fù)3周旋轉(zhuǎn)，具有轉(zhuǎn)速低的特點(diǎn)，但相應(yīng)的檢測精度需達(dá)到0.5°以內(nèi)，從而對(duì)GIS內(nèi)異常信號(hào)處的缺陷進(jìn)行精確定位?；赥LE5012B角度傳感器及STM8AF的微處理器提出了一種基于三齒輪機(jī)械結(jié)構(gòu)的分段函數(shù)算法，三齒輪機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三齒輪機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖1中，測量齒輪B與測量齒輪C分別內(nèi)嵌一顆徑向分布的柱形磁鋼并與主齒輪嚙合，在磁鋼下方貼有TLE5012B角度傳感器的印刷電路板(printed circit board,PCB)。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)主齒輪A旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒輪B與齒輪C將以相同的線位移旋轉(zhuǎn)[5]。

2.2 檢測精度提高

基于圖1三齒輪機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)齒輪A與B和C的齒數(shù)分別為mA,mB,mC，且滿足mA>mB>mC。當(dāng)主齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)行程為n圈時(shí)，齒輪B與C由于旋轉(zhuǎn)相同的位移而分別旋轉(zhuǎn)了nmA/mB,nmA/mC圈。由于檢測量程與測量齒輪檢測信號(hào)差值之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，主齒輪與測量齒輪的齒數(shù)滿足

(1)

整理可得

盡管武當(dāng)眾人態(tài)度的轉(zhuǎn)變和他們所經(jīng)受的痛苦不無關(guān)系，但說到底還是因?yàn)樗麄冃闹惺冀K無法放下“正邪有別”的成見，在感情和理智的矛盾中糾結(jié)，甚至在莫聲谷遇害后懷疑是張無忌所為，只因他是和趙敏有所牽連的魔教教主。

(2)

由式(2)知，在主齒輪與測量齒輪固定的情況下，當(dāng)主齒輪旋轉(zhuǎn)n圈時(shí)，差值信號(hào)將出現(xiàn)周期性更新。考慮到GIS檢查及異物清理機(jī)器人對(duì)傳感器體積的要求，選取主齒輪齒數(shù)為45，齒輪B,C的齒數(shù)分別為15,13。TLE5012B角度傳感器的檢測精度為±1°，所設(shè)計(jì)角度傳感器檢測精度理論可以達(dá)到±0.33°，則更新周期為780°。

設(shè)θ1,θ2為所設(shè)計(jì)角度傳感器某一時(shí)刻相對(duì)機(jī)械零點(diǎn)位置的角度，測量齒輪檢測角度分段函數(shù)為

(3)

式中β1,β2為測量齒輪所檢測到的角度值。由于測量齒輪B,C的檢測精度映射到主齒輪時(shí)檢測精度不同，對(duì)式(3)所采集到的角度信號(hào)進(jìn)行均值處理，使其更好地收斂于角度傳感器原始的檢測精度，具體表達(dá)式如式(4)

θ=(θ1+θ2)/2

(4)

TLE5012B輸出的角度信號(hào)經(jīng)過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算(coordinate rotation digital computing，CORDIC)算法已經(jīng)轉(zhuǎn)換為線性的角度，當(dāng)測量齒輪在更新周期時(shí)，會(huì)發(fā)生角度的躍變。偏差表達(dá)式如式(5)

Δrel=mB,C/2mA

(5)

由式(2)知，當(dāng)測量齒輪發(fā)生周期更新時(shí)，三齒輪差值未發(fā)生周期更新，從而通過差值檢測角度對(duì)其進(jìn)行校正。式(3)分段函數(shù)所檢測角度發(fā)生躍變，對(duì)所測角度根據(jù)式(5)進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)角度檢測的連續(xù)性。

2.3 檢測量程擴(kuò)展

通過檢測精度提高的分析知上述算法檢測量程為780°。而所設(shè)計(jì)GIS設(shè)備檢查及異物清理機(jī)器人對(duì)檢測量程要求為±1 080°。在式(3)基礎(chǔ)上，以TLE5012B圈數(shù)計(jì)數(shù)功能與差值算法780°更新周期相結(jié)合，通過式(6)進(jìn)行量程擴(kuò)展

(6)

式中 Δ為測量齒輪所檢測角度信號(hào)差值;θ=0°為GIS設(shè)備檢查及異物清理機(jī)器人攝像頭處于回正位置;θ>0°表明此時(shí)轉(zhuǎn)軸向右旋轉(zhuǎn);反之向左。n值如式(2)所示；T為量程擴(kuò)展的周期，其可以隨著檢測量程需求的變化而進(jìn)行調(diào)整。與式(6)對(duì)應(yīng)的分段函數(shù)如圖2所示。

圖2 量程擴(kuò)展原理

圖2中當(dāng)差值信號(hào)為負(fù)，取其反碼，最終可得線性分段函數(shù)。由于所設(shè)計(jì)基于TLE5012B的更新周期為10 ms，量程擴(kuò)展周期基值780°，所設(shè)計(jì)傳感器檢測角度發(fā)生780°的大范圍變化為周期更新，即量程擴(kuò)展周期T的變化。

設(shè)磁阻式角度傳感器的最大理論誤差為±Δmax，通過式(1)差值關(guān)系使檢測誤差放大為±2Δmax，式(6)的角度偏差為

Δ=±2nΔmax

(7)

通過式(7)知若通過式(6)對(duì)轉(zhuǎn)軸的檢測角度進(jìn)行檢測，則檢測偏差不能達(dá)到0.5°的要求。 因此，將式(7)所檢測到的角度信號(hào)耦合到測量齒輪B和C的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，并采用式(3)算法獲取主軸的旋轉(zhuǎn)角度，該算法實(shí)現(xiàn)了角度傳感器檢測量程與檢測精度之間的解耦。但差值法在周期之間過渡時(shí)，所耦合的測量齒輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)將發(fā)生躍變且該方法不具備圈數(shù)記憶功能。本文通過圈數(shù)可靠性流程來實(shí)時(shí)測量齒輪旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)檢測，如圖3所示。

圖3 可靠性檢測流程

圖3中，在沒有外界電磁等干擾的情況下滿足nC>nB。通過TLE5012B內(nèi)部圈數(shù)寄存器與差值法所得圈數(shù)的對(duì)比判斷所設(shè)計(jì)角度傳感器是否發(fā)生掉電及檢測數(shù)據(jù)丟失，若發(fā)生則繼續(xù)對(duì)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)進(jìn)行檢測，保證所捕獲測量齒輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的正確。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

電路原理框圖如圖4所示。所設(shè)計(jì)角度傳感器樣機(jī)通過穩(wěn)壓芯片將機(jī)器人所需電源電壓降到微處理器的工作電壓。以10 ms為周期與TLE5012B以SPI方式進(jìn)行通信，通過TJA1050以CAN報(bào)文的形式發(fā)送至上位機(jī)。選擇如圖5所示10 000 線的光柵編碼器角度檢測系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖4 硬件原理框圖

圖5 角度傳感器檢測系統(tǒng)

由圖6知高精度光柵編碼器與所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角傳感器采用同軸固定，通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，使兩者實(shí)現(xiàn)同軸旋轉(zhuǎn)，保證所設(shè)計(jì)多圈角度傳感器對(duì)轉(zhuǎn)向軸旋轉(zhuǎn)角度檢測的可靠性。最后通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)/通用串行總線(USB)轉(zhuǎn)換器將檢測角度發(fā)送至上位機(jī)，對(duì)分段函數(shù)算法的可靠性以及檢測精度進(jìn)行驗(yàn)證。檢測結(jié)果如表1所示。

圖6 上位機(jī)接收數(shù)據(jù)

基值角度分段函數(shù)算法角度偏差 基值角度分段函數(shù)算法角度偏差-999.36-998.760.40472.68473.100.48-765.36-765.050.31789.84789.66-0.18-432.00-432.07-0.071426.321426.670.35-127.08-127.19-0.111536.481536.41-0.07264.24264.730.49

由表1知：所提分段函數(shù)算法的檢測量程與檢測精度分別可以達(dá)到±1 500°，±0.5°，實(shí)現(xiàn)了角度傳感器檢測量程與檢測精度之間的解耦。通過對(duì)TLE5012B及機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析可知所設(shè)計(jì)角度傳感器的理論檢測精度為±0.3°。檢測精度發(fā)生偏差是由于齒輪嚙合的過程以及所選磁鋼的磁場強(qiáng)度分布等原因造成[6]。應(yīng)用該機(jī)器人進(jìn)行GIS設(shè)備檢查，如圖7所示。

圖7 GIS設(shè)備檢測及異物清理機(jī)器人

4 結(jié) 論

所設(shè)計(jì)的角度傳感器采用三齒輪機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過非接觸式的檢測方法對(duì)GIS設(shè)備檢測及異物清理機(jī)器人攝像頭的轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行檢測。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證傳感器具有較高的檢測精度與檢測量程；傳感器不僅可以應(yīng)用于該機(jī)器人，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整，亦可應(yīng)用于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位移及汽車電子中，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1] 馬飛越，佃忪宜，游 洪，等.GIS罐體內(nèi)部異物清理機(jī)器人的研發(fā)與應(yīng)用[J].寧夏電力，2017，2(2)：43-47.

[2] 楊 平,黃妙華,喻厚宇.寬量程方向盤轉(zhuǎn)角傳感器系統(tǒng)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：信息與管理工程版,2014，6(6)：829-833.

[3] 楊 財(cái)，周艷霞.方向盤轉(zhuǎn)角傳感器研究進(jìn)展[J].傳感器與微系統(tǒng)，2008，26(11)：1-4.

[4] 張英福.巨磁電阻在方向盤轉(zhuǎn)角傳感器中的應(yīng)用[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，23(10)：17-20.

[5] 牛 勃，馬新軍，江 龍,等.非接觸式方向盤轉(zhuǎn)角傳感器檢測算法的研究[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2016,30(4)：18-23.

[6] 周良杰，趙志國.方向盤轉(zhuǎn)角傳感器誤差成因與補(bǔ)償?shù)难芯縖J].儀表技術(shù)與傳感器，2013，11(2)：7-10.

Designofmulti-circleabsoluteangularsensorbasedonTLE5012B

ZHOU Xiu, NIU Bo, MA Fei-yue, LIU Gang, SUN Da-wei, WU Hong

(PowerResearchInstituteofStateGridNingxiaPowerCo,Yinchuan750011,China)

Multi-circle absolute angular sensor is one of the electronic core parts of robots and automobiles.TLE5012B angular sensor，based on integrated giant magneto-resistive (iGMR) technology，can detect 360° variation of encapsulated magnetic field surface and accordingly realize non-contact angle measurement.A piecewise function algorithm integrating three-gear mechanical structure and TLE5012B angular sensor is proposed to realize the high-precision and large-range non-contact measurement of the rotation position of the rotating shaft，accordingly decouple the detection range and the detection precision of the angular sensor.The experiment proves the proposed algorithm, based on piecewise function algorithm integrating three-gear mechanical structure,can realize adjustable measurement range，with the detection precision achieve 0.5°.

angular sensor; non-contact; large range; high precision; piecewise function algorithm

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0090—03

U 463

A

1000—9787(2017)11—0090—03

2017—09—28

周 秀(1986-)，男，碩士，工程師，從事變電設(shè)備帶電檢測、無損檢測等方面的研究工作。