景 歡,湯其富,王陽陽,2,劉 洋
(1.重慶理工大學(xué),機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心,重慶 400054;2.重慶大學(xué),機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044)
傳感器是一種測(cè)量信息的工具,在生產(chǎn)制造和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等場(chǎng)合起著信息源作用[1]?;陔姶鸥袘?yīng)的位移傳感器在惡劣工業(yè)條件下具有明顯優(yōu)勢(shì)[2-7]。以旋轉(zhuǎn)變壓器為例,因其具有抗干擾能力強(qiáng)、適合較惡劣工況等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)場(chǎng)合,但受限于原理結(jié)構(gòu)等,使其測(cè)量精度和分辨力較低[8-10]。要實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量無法兼顧尺寸,因此較龐大的外形結(jié)構(gòu)制約了其發(fā)展。相較而言盤式的感應(yīng)同步器和磁場(chǎng)式時(shí)柵傳感器通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了體積上的縮減[11-15],但其結(jié)構(gòu)限制了在絕對(duì)式測(cè)量方法的應(yīng)用,仍然存在開機(jī)需要找零、狹窄形機(jī)械空間無法安裝等問題。基于此,本文提出了一種基于PCB工藝的電磁感應(yīng)式角位移傳感器結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)并利用“差極式”測(cè)量模式實(shí)現(xiàn)絕對(duì)式角位移測(cè)量[16]。
根據(jù)文獻(xiàn)[15]介紹的主動(dòng)約束磁場(chǎng)型角位移傳感器具有單傳感通道的結(jié)構(gòu)特征,如圖1所示,該類型的傳感器雖然精度較高,但是無法實(shí)現(xiàn)絕對(duì)式測(cè)量。
圖1 單傳感通道傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
根據(jù)磁場(chǎng)式時(shí)柵傳感器的基本工作原理,實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量需要構(gòu)建傳感器的時(shí)空雙正交[15]。時(shí)間正交表現(xiàn)為激勵(lì)線圈直接通入兩相正交激勵(lì)信號(hào)實(shí)現(xiàn);空間正交表現(xiàn)為兩相激勵(lì)線圈相差1/4重復(fù)結(jié)構(gòu)周期。激勵(lì)線圈中分別通入式(1)和式(2)所示的兩相時(shí)間正交的正/余弦信號(hào):
e1=Amsin(ωt)
(1)
e2=Amcos(ωt)
(2)
式中:Am為激勵(lì)信號(hào)的幅值;ω為激勵(lì)信號(hào)的角速度。
由于激勵(lì)線圈在空間上呈正交關(guān)系布置,因而當(dāng)激勵(lì)線圈中通入正交信號(hào)后,隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn),感應(yīng)線圈中的磁通量Φ將隨之而改變,Φ的變化與時(shí)間t和轉(zhuǎn)子的角位移θ呈函數(shù)關(guān)系,該函數(shù)關(guān)系如式(3)所示:
(3)
式中k為與傳感器結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)。
f1(θ)和f2(θ)如式(4)所示:
(4)
(5)
(6)
式中Np為傳感器結(jié)構(gòu)重復(fù)周期數(shù)。
為了計(jì)算出傳感器轉(zhuǎn)子的角位移量,需要對(duì)感應(yīng)線圈輸出的感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行處理。輸出的感應(yīng)信號(hào)比較微弱并帶有大量的噪聲,通過采用文獻(xiàn)[15]中所述的信號(hào)處理和角位移量解析方法,可以得到如式(7)所示的被測(cè)角位移量。
(7)
式中:n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的周期數(shù);Δt為感應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波后其上升沿與參考方波上升沿之間的時(shí)間差。
為了實(shí)現(xiàn)絕對(duì)式測(cè)量,本文所采用的傳感器具有2個(gè)傳感通道,二者具有獨(dú)立的激勵(lì)線圈,但共用感應(yīng)線圈。2個(gè)傳感通道的重復(fù)結(jié)構(gòu)周期數(shù)相差為1,設(shè)為N和(N+1)。本文將傳感單元的激勵(lì)環(huán)形正弦線圈和感應(yīng)線圈印制在電路板上,同時(shí)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)采用銅箔陣列。該傳感器制造方法不僅可以使傳感器厚度小,而且線圈的布置可以靈活和精確控制,從而達(dá)到傳感器工作所需的時(shí)變磁場(chǎng)精確約束。傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示,圖2(d)和(e)中,A、B、G和H焊盤為N周期激勵(lì)線圈Ca1、Ca2、Ca3和Ca4的輸入接口,布置在電路板的內(nèi)圈;C、D、E和F焊盤為(N+1)周期激勵(lì)線圈Cb1、Cb2、Cb3和Cb4的輸入接口,布置在電路板的外圈;I和J焊盤為感應(yīng)線圈Ci的輸出接口。
圖2 雙傳感通道傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
圖3 N+(N+1)周期傳感通道輸出信號(hào)變化過程示意圖
前文提及利用N+(N+1)重復(fù)結(jié)構(gòu)周期數(shù)的雙傳感通道,組合實(shí)現(xiàn)絕對(duì)式測(cè)量,其原理可以通過圖3所示的信號(hào)變化示意圖進(jìn)行描述。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,2個(gè)傳感通道的感應(yīng)線圈輸出兩種不同的信號(hào)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)1周,在N周期激勵(lì)線圈的磁場(chǎng)作用下,感應(yīng)信號(hào)的相位變化N個(gè)電信號(hào)周期,而(N+1)周期激勵(lì)線圈的磁場(chǎng)作用下,感應(yīng)信號(hào)的相位變化(N+1)個(gè)電信號(hào)周期。不過,2種信號(hào)的相位差呈線性變化,在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1周時(shí),2種信號(hào)剛好相差1個(gè)周期。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,2種信號(hào)的相位差始終小于1個(gè)電信號(hào)周期(2π),即可以將相位差0~2π與機(jī)械角度0°~360°映射,然后再結(jié)合N或(N+1)傳感通道的信號(hào),實(shí)現(xiàn)絕對(duì)測(cè)量[15-16]。
由于2個(gè)傳感通道共用感應(yīng)線圈,所以2個(gè)傳感通道的激勵(lì)信號(hào)采用分時(shí)方式輸入信號(hào)。該雙傳感通道傳感器采用開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)分時(shí)激勵(lì),首先將激勵(lì)信號(hào)通入到N周期激勵(lì)線圈,感應(yīng)信號(hào)可用式(8)表示,然后將激勵(lì)信號(hào)通入(N+1)周期激勵(lì)線圈,感應(yīng)信號(hào)可用式(9)表示。
(8)
(9)
通過兩種信號(hào)的相位差,判斷(N+1)周期信號(hào)在哪個(gè)變化周期后,即獲取式(7)中的n后,再根據(jù)式(7)所示方式得到轉(zhuǎn)子的絕對(duì)角位移。傳感器在每次上電后,均需執(zhí)行一次上述分時(shí)過程,得到起始絕對(duì)角位移。新的絕對(duì)角位移通過在起始絕對(duì)角位移上累加增量角位移得到。
為了驗(yàn)證本文中傳感器結(jié)構(gòu)的可行性,利用三維建模軟件對(duì)傳感器進(jìn)行模型建立,然后利用有限元仿真軟件對(duì)模型進(jìn)行仿真分析,主要仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。
表1 主要仿真參數(shù)設(shè)置表
在仿真過程對(duì)計(jì)算機(jī)資源占用較大,且對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求較高,因此在進(jìn)行模型仿真設(shè)計(jì)時(shí)將模型設(shè)計(jì)為小而薄的低對(duì)極數(shù)傳感器結(jié)構(gòu)形式,但關(guān)鍵參數(shù)不予更改(仿真模型采用的重復(fù)結(jié)構(gòu)周期數(shù)為9和10)。
轉(zhuǎn)子在仿真過程中,9周期設(shè)置仿真步長為1.6°,在傳感器的一個(gè)重復(fù)結(jié)構(gòu)周期(40°)取25個(gè)位置進(jìn)行仿真。10周期設(shè)置仿真步長為1.44°,在傳感器的一個(gè)重復(fù)結(jié)構(gòu)周期(36°)取25個(gè)位置進(jìn)行仿真。在仿真過程中分別對(duì)9和10周期激勵(lì)線圈通入單相激勵(lì)e1和e2,得到的仿真結(jié)果分別如圖4和圖5所示。
提取圖4和圖5中單相激勵(lì)的一組感應(yīng)信號(hào)曲線,得到近似正弦的曲線,將其與標(biāo)準(zhǔn)正弦曲線相比,如圖6(a)和圖6(b)所示,感應(yīng)信號(hào)具有較好的正弦性,與理論分析相符。
前文通過傳感器的仿真分析過程,驗(yàn)證了傳感器理論模型的可行性。在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中,為了實(shí)現(xiàn)較高精度的測(cè)量,所研制的傳感器樣機(jī)的激勵(lì)線圈采用重復(fù)結(jié)構(gòu)為63和64的組合形式,感應(yīng)線圈為相互串聯(lián)的內(nèi)外線圈,分別印制在同一塊PCB上作為定子使用。轉(zhuǎn)子和定子PCB如圖7所示。
為開展實(shí)驗(yàn)研究,搭建了如圖8所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),以檢測(cè)傳感器樣機(jī)的測(cè)量誤差。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由待測(cè)傳感器(定子基體、轉(zhuǎn)子基體、定子PCB和轉(zhuǎn)子PCB)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等幾部分組成。
(a)9周期通入e1激勵(lì)時(shí)的感應(yīng)信號(hào)
(b)9周期通入e2激勵(lì)時(shí)的感應(yīng)信號(hào)
(c)9周期通入兩相激勵(lì)時(shí)的感應(yīng)信號(hào)
(a)10周期通入e1激勵(lì)時(shí)的感應(yīng)信號(hào)
(b)10周期通入e2激勵(lì)時(shí)的感應(yīng)信號(hào)
(c)10周期通入兩相激勵(lì)時(shí)的感應(yīng)信號(hào)
(a)9重復(fù)周期電壓幅值變化曲線
(b)10重復(fù)周期電壓幅值變化曲線
圖7 轉(zhuǎn)子和定子PCB實(shí)物圖
圖8 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)
實(shí)驗(yàn)過程中,直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)光柵編碼器輸出的角位移量為測(cè)量基準(zhǔn)。通過比對(duì)傳感器樣機(jī)和光柵編碼器的測(cè)量數(shù)據(jù),得到了傳感器樣機(jī)的原始測(cè)量誤差。
在本文的研究中,分別對(duì)間隙為0.1 mm、0.2 mm、0.26 mm、0.48 mm、0.6 mm進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。通過數(shù)據(jù)分析,傳感器存在明顯的長周期一次誤差,同時(shí)短周期誤差呈現(xiàn)一定規(guī)律的變化。根據(jù)表2可得出結(jié)論,隨著轉(zhuǎn)子與定子間隙增加,長周期一次誤差和短周期誤差逐漸增大,且短周期二次誤差逐漸明顯。由于定子和轉(zhuǎn)子的同心度不易調(diào)整,所以容易造成長周期一次測(cè)量誤差。短周期高次測(cè)量誤差通常是由于激勵(lì)信號(hào)幅值不等、傳感器結(jié)構(gòu)或安裝不對(duì)稱造成的“磁場(chǎng)強(qiáng)度差”[15]、感應(yīng)信號(hào)處理電路引入誤差等原因造成。
最終選取定子轉(zhuǎn)子間隙為0.2 mm進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試。整周誤差曲線如圖9所示,橫坐標(biāo)代表0°~360°內(nèi)的采樣點(diǎn),最大誤差為28.8″,最小誤差為-104.2″。短周期內(nèi)誤差曲線如圖10所示,橫坐標(biāo)代表0°~5.625°內(nèi)的采樣點(diǎn),周期內(nèi)采樣點(diǎn)為950個(gè),最大誤差為11.7″,最小誤差為-74.5″。
圖9 0.2 mm定、轉(zhuǎn)子間隙時(shí)的整周誤差曲線
圖10 0.2 mm定、轉(zhuǎn)子間隙時(shí)的短周期內(nèi)誤差曲線
本文提出了一種基于PCB工藝的絕對(duì)式角位移傳感器,采用PCB工藝實(shí)現(xiàn)了傳感器所需的正弦形激勵(lì)線圈和環(huán)形感應(yīng)線圈,采用相差1個(gè)重復(fù)結(jié)構(gòu)周期的雙傳感通道,實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)式角位移測(cè)量。先后通過模型仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)可行性,最終獲得傳感器的整周原始誤差在±70″范圍內(nèi),短周期內(nèi)誤差 ±43″范圍內(nèi)。本文的研究對(duì)原始誤差還未進(jìn)行任何處理,若在后期的研究當(dāng)中對(duì)傳感器的原始誤差進(jìn)行消除,傳感器的測(cè)量精度可以得到進(jìn)一步提升。本文提出的傳感器采用PCB工藝,不僅滿足傳感器對(duì)線圈形狀的需求,而且為信號(hào)處理電路集中于傳感器PCB提供了可能性,最終高集成化的傳感器將適用于機(jī)器人關(guān)節(jié)臂等對(duì)傳感器體積要求苛刻的工作場(chǎng)合。