袁 菲

(深圳萬訊自控股份有限公司,深圳 518000)

0 引言

在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域,有大量往復(fù)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合,需要得到精確的位置信號(hào)。例如紡織機(jī)械、灌溉機(jī)械、印刷造紙、水利閘門、港口起重機(jī)械、鋼鐵冶金設(shè)備等。在當(dāng)前熱門的機(jī)器人技術(shù)和汽車應(yīng)用中,由于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向和電機(jī)位置傳感,許多應(yīng)用都需要檢測(cè)旋轉(zhuǎn)目標(biāo)的角度。角度檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備和精密儀器精確控制。為了滿足位置精度的要求,運(yùn)動(dòng)部件還需要設(shè)計(jì)反饋系統(tǒng),形成閉環(huán)控制,最終達(dá)到誤差控制的目的[1]。

本文通過詳細(xì)比較各類多圈旋轉(zhuǎn)的位置檢測(cè)傳感技術(shù)的原理和優(yōu)缺點(diǎn),分析多圈旋轉(zhuǎn)的位置檢測(cè)傳感技術(shù)發(fā)展,為不同的應(yīng)用場(chǎng)合選擇使用多圈位置傳感技術(shù)提供參考。

1 導(dǎo)電塑料電位器

導(dǎo)電塑料電位器是20 世紀(jì)50 年代后期出現(xiàn)的一種以導(dǎo)電塑料為電阻體的碳質(zhì)電位器[2],是自動(dòng)化設(shè)備上應(yīng)用較廣的旋轉(zhuǎn)位置檢測(cè)裝置。

①原理。

導(dǎo)電塑料電位器的功能是把一個(gè)機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成電氣信號(hào),并且該信號(hào)能夠與機(jī)械運(yùn)動(dòng)成正比。簡(jiǎn)單地說,電位器就是一個(gè)滑動(dòng)變阻器。雖然通過檢測(cè)滑動(dòng)電阻阻值也可以獲得位置百分比,但由于電刷與電軌的摩擦運(yùn)動(dòng),會(huì)隨運(yùn)行時(shí)間磨損造成相同位置阻值的變化,從而影響測(cè)試的準(zhǔn)確度。為了避免阻值變動(dòng)帶來的位置變化,采用電壓分配則穩(wěn)定很多。電位器的阻軌兩端連接到穩(wěn)定的直流電壓(輸入電壓Ui),電刷裝配也連接到激勵(lì)器,使塑料阻軌產(chǎn)生一個(gè)分配電壓(輸出電壓Uo)。電位器工作原理如圖1 所示。

圖1 電位器工作原理圖Fig.1 Potentiometer working principle

在測(cè)量外部旋轉(zhuǎn)或者直線運(yùn)行位移時(shí),通過機(jī)械傳動(dòng)(齒輪傳動(dòng),鏈條傳動(dòng)等)將外部位置轉(zhuǎn)化成電刷在阻軌中的運(yùn)動(dòng),使機(jī)械位移與電刷位置成正比,即被測(cè)物當(dāng)前位移百分比=。通過分析比值的變化是增多還是減少,即可簡(jiǎn)單識(shí)別正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的方向。

②優(yōu)點(diǎn)。

導(dǎo)電塑料電位器作為一個(gè)電壓分配器,可以不必過多考慮阻軌上的總電阻的準(zhǔn)確度。這是因?yàn)闇囟炔▌?dòng)只對(duì)電阻產(chǎn)生作用,不會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果。工業(yè)使用的傳感器要求性能出眾、價(jià)格便宜,并且可在苛刻環(huán)境(例如-40～+150 ℃)下工作。

③缺點(diǎn)。

多圈行程壓縮原理如圖2 所示。

圖2 多圈行程壓縮原理圖Fig.2 Schematic diagram of multi-loop stroke compression

阻軌與電刷為接觸摩擦,隨著動(dòng)作次數(shù)而磨損,有固定死區(qū)、回差大。對(duì)于多圈運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合,需要增加減速齒輪組,將多圈全行程縮到導(dǎo)電塑料的一圈有效行程里。圈數(shù)越多,齒輪組減速比越大,分辨率越低。以一個(gè)U 圈(如圖2 例,U=100 圈)的絕對(duì)位置檢測(cè)為例,使用一套多級(jí)減速傳動(dòng)齒輪組減速比i=i1×i2×i3×i4==128,將U 圈全行程壓縮到單圈內(nèi),則全行程壓縮后角度A=×360°=281.25°。而阻軌有效電氣角度B(通常一個(gè)帶止位的單圈電位器的有效機(jī)械角度340°,阻軌有效電氣角度320°),所以全行程在阻軌中的使用率100%≈88%。假如單圈電位器的分辨率為n°(假設(shè)為0.1°),現(xiàn)在多圈行程分辨率就降低為128=14.54°。

2 增量式位置編碼器

為了解決電位器的幾大缺陷,出現(xiàn)了非接觸式的光電編碼器和磁角度傳感器等多種方案。非接觸式通常具有無磨損、精度高、無固定死區(qū)、回差小等特點(diǎn)[3]。編碼器是一種降旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換程一串?dāng)?shù)字脈沖信號(hào)的旋轉(zhuǎn)式傳感器[4]。增量式位置編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性點(diǎn)信號(hào),再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變程計(jì)數(shù)脈沖,用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。脈沖信號(hào)的產(chǎn)生可以使用光電感應(yīng)式、磁開關(guān)(霍爾開關(guān)或干簧管)等作為脈沖發(fā)生裝置。單通道增量式位置編碼器使用一個(gè)脈沖發(fā)生器,只能產(chǎn)生一組脈沖序列。A、B相編碼器內(nèi)部有兩組脈沖發(fā)生裝置,輸出相位差90°的兩組脈沖序列。正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí),兩路脈沖的超前和滯后關(guān)系剛好相反[5]。在A、B相編碼器基礎(chǔ)上再增加一組,每轉(zhuǎn)1 圈產(chǎn)生1 個(gè)脈沖,通常稱為Z相或者C相,也叫作零位脈沖或者索引脈沖,作為零位參考位,專門用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。

①原理。

增量式位置編碼器輸出三組方波脈沖A、B和Z相。A、B兩組脈沖相位差90°正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)兩路脈沖的超前、滯后關(guān)系剛好相反,很容易識(shí)別出轉(zhuǎn)軸方向。三方波脈沖相對(duì)編碼原理如圖3 所示。

圖3 三方波脈沖相對(duì)編碼原理圖Fig.3 Principle of relative coding of three-wave pulse

由圖3 可知,在B相脈沖的上升沿,正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)A相脈沖的電平高低剛好相反,因此可以識(shí)別出轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向。Z相為輸入轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個(gè)脈沖,用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位,也用于系統(tǒng)清零信號(hào)或坐標(biāo)原點(diǎn),以減少測(cè)量的積累誤差。

②優(yōu)點(diǎn)。

增量式位置編碼器原理構(gòu)造簡(jiǎn)單,機(jī)械平均壽命長(zhǎng),抗干擾能力強(qiáng),可靠性高,適合長(zhǎng)距離傳輸。電子增量通過電池記憶的好處是可省掉一組機(jī)械齒輪,經(jīng)濟(jì)、體積小且沒有圈數(shù)限制。這種脈沖編碼器的零點(diǎn)是隨機(jī)的,由上電時(shí)啟動(dòng)或者系統(tǒng)清零開始記錄,所有的位置都是相對(duì)零點(diǎn)的一個(gè)固定計(jì)數(shù)。轉(zhuǎn)動(dòng)一圈會(huì)輸出固定的脈沖數(shù),即分辨率。無論旋轉(zhuǎn)多少圈,它的分辨率都不會(huì)降低。需要增加測(cè)量精度時(shí),除了單純的增加一圈內(nèi)脈沖數(shù)這種方法外,還可以采用4 倍頻方式,即分別在A、B相波形的上升沿和下降沿計(jì)數(shù),分辨率可以提高4 倍。

③缺點(diǎn)。

增量式位置編碼器的最大缺點(diǎn)是零點(diǎn)是相對(duì)的,斷掉主電源再重新上電后,原來的零點(diǎn)就消失了,所有的脈沖計(jì)數(shù)都清空。此時(shí),需要增加電池蓄電才能保持原來的零點(diǎn)和脈沖計(jì)數(shù),記錄位置變化。由于電池低功耗的要求,移動(dòng)的速度和范圍其實(shí)是有限制的。另外,加上電池的因素,其可靠性還是存在疑問的。尤其是如果計(jì)圈發(fā)生失誤,反而無法找到原來的絕對(duì)位置。

3 絕對(duì)位置編碼器

為了彌補(bǔ)相對(duì)脈沖編碼器的零點(diǎn)相對(duì)這個(gè)缺點(diǎn),同樣采用光電脈沖原理,不受掉電記錄影響的絕對(duì)位置編碼器應(yīng)運(yùn)而生。其依舊由光源、碼盤、接收元件、放大轉(zhuǎn)換電路等組成,通過光電信號(hào)掃碼分度盤上的二進(jìn)制碼刻度,以準(zhǔn)確定位物體的絕對(duì)位置值。這是一種在任何時(shí)刻、位置均能夠?qū)C(jī)械位移進(jìn)行測(cè)量的編碼器。

①原理。

絕對(duì)位置編碼器的關(guān)鍵在碼盤上。光碼盤是在一個(gè)圓盤上刻出由許多道光通道。一圈為一個(gè)光通道,每圈里白色格為刻出光格(可讀取為1)、黑色為暗格(可讀取為0)。每道刻線從中間往外圓擴(kuò)展依次以2 線、4線、8 線、16 線……編排。這樣,在編碼器的每個(gè)位置,通過讀取每道刻線的通、暗,可獲得一組從20到2n-1的唯一二進(jìn)制編碼,也稱格雷碼。這就是n位絕對(duì)編碼器。假設(shè)n=5,碼盤上由內(nèi)到外有5 圈碼道,對(duì)應(yīng)獲得一組2(5-1)脈沖,輸出編碼11111～00000,稱為5 位絕對(duì)編碼器。五位絕對(duì)位置編碼器原理如圖4 所示。

圖4 五位絕對(duì)位置編碼器原理圖Fig.4 Principle of five absolute position encoder

編碼器生產(chǎn)廠家運(yùn)用鐘表齒輪機(jī)械原理,當(dāng)中心碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí),通過齒輪傳動(dòng)另一碼盤(或多組齒輪,多組碼盤),在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼,以擴(kuò)大編碼器的測(cè)量范圍。這樣的絕對(duì)編碼器稱為多圈式絕對(duì)編碼器。

②優(yōu)點(diǎn)。

絕對(duì)位置編碼器由機(jī)械位置確定編碼,每個(gè)位置編碼唯一不重復(fù),而無需記憶。其測(cè)量范圍大,實(shí)際使用往往富裕較多,這樣在安裝時(shí)不必要費(fèi)勁找零點(diǎn),將某一中間位置作為起始點(diǎn)即可,大大簡(jiǎn)化了安裝調(diào)試的難度。相對(duì)增量式位置編碼器,因?yàn)榻^對(duì)位置編碼器會(huì)鎖定軸的位置,編碼器通電后,能立即獲知這一位置,無需等待歸位或完成校準(zhǔn)序列。即使在編碼器關(guān)閉時(shí)軸被轉(zhuǎn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)軸也可以在啟動(dòng)時(shí)或斷電后更快獲取所需的位置數(shù)據(jù)。絕對(duì)位置編碼器的系統(tǒng)通常不易受電氣噪聲的影響。這是因?yàn)樗鼈兺ㄟ^從二進(jìn)制編碼器讀取錯(cuò)誤檢查代碼獲取位置,或通過串行總線獲取數(shù)字化位置,而不需要像增量式位置編碼器那樣對(duì)脈沖計(jì)數(shù)。且多圈絕對(duì)位置編碼器是在單圈編碼器的基礎(chǔ)上通過機(jī)械傳動(dòng)原理結(jié)構(gòu)制作而成。當(dāng)中心光柵碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí),通過齒輪傳動(dòng)另一組碼盤(或多組齒輪,多組碼盤),在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼,以擴(kuò)大編碼器的測(cè)量范圍。它同樣是由機(jī)械位置確定編碼,每個(gè)位置編碼唯一不重復(fù),而無需記憶。

③缺點(diǎn)。

絕對(duì)位置編碼器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高。當(dāng)碼道過多時(shí),容易發(fā)生串碼、漏碼等情況,造成數(shù)據(jù)出錯(cuò)。

4 磁感應(yīng)絕對(duì)位置編碼器

區(qū)別于常見的光電編碼器,根據(jù)磁感應(yīng)原理的磁編碼器將磁霍爾開關(guān)與齒輪組搭配,可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、有效的編碼[6-7]。

(1)原理。

隨著霍爾開關(guān)在設(shè)計(jì)應(yīng)用的增多,在智能表計(jì)數(shù)方面也出現(xiàn)了它的身影?；魻栭_關(guān)是一種有源磁電轉(zhuǎn)換器件,它使用霍爾效應(yīng)原理把磁輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)?；魻栭_關(guān)使用其數(shù)字輸出功能,按感應(yīng)方式可以分成以下4 類。

①單極性霍爾開關(guān)。當(dāng)一個(gè)磁極靠近它,輸出低電平信號(hào),磁場(chǎng)磁極離開它輸出高電平信號(hào)。單極性霍爾開關(guān)會(huì)指定磁極(N 極或者S 極)感應(yīng)才有效。

②雙極性非鎖存型霍爾開關(guān)。其通常在S 極磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠的情況打開,N 極磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠的情況關(guān)閉。但如果磁場(chǎng)被移除,則其隨機(jī)輸出。

③雙極性鎖存型霍爾開關(guān)。通常在S 極磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠的情況打開。如磁場(chǎng)被移除,則其繼續(xù)保持開啟狀態(tài),直到N 極磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠的情況關(guān)閉。

④全極性霍爾開關(guān)。只要有足夠強(qiáng)度的N 極或S極,其就能打開;在沒有磁場(chǎng)的時(shí)候,會(huì)關(guān)閉輸出。

根據(jù)上述原理,本文試驗(yàn)使用了4 組磁鋼8 個(gè)霍爾開關(guān)構(gòu)成一個(gè)絕對(duì)位置磁編碼器。絕對(duì)位置磁編碼器原理如圖5 所示。由圖5 可知:最右側(cè)為主旋轉(zhuǎn)軸,左側(cè)為多個(gè)由旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)的轉(zhuǎn)輪。每個(gè)轉(zhuǎn)輪中心上有永磁鐵。圓形永磁體呈徑向磁極分布,帶著幾個(gè)霍爾開關(guān)形成一組如圖3 所示的3 方波脈沖的編碼單元。每個(gè)編碼單元可以產(chǎn)生000～111 的8 個(gè)碼。8 ∶1 的齒輪比帶動(dòng)下一組轉(zhuǎn)輪編碼單元。編碼單元越多,編碼數(shù)值越大,4 組就能形成有效的12 位編碼。

圖5 絕對(duì)位置磁編碼器原理圖Fig.5 Principle of absolute position magnetic encoder

(2)優(yōu)點(diǎn)。

磁感應(yīng)絕對(duì)位置編碼器編碼簡(jiǎn)單。由于霍爾開關(guān)的大量生產(chǎn)和應(yīng)用,成本較低,多圈編碼更精確、有效。

(3)缺點(diǎn)。

磁感應(yīng)絕對(duì)位置編碼器需要齒輪組配合,編碼單元越多,體積越大。

5 霍爾式角度傳感器

隨著技術(shù)的不斷革新進(jìn)步,磁編的體積越做越小,從上述只能感應(yīng)最強(qiáng)磁極性的開關(guān),發(fā)展到了可以感應(yīng)全磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁敏傳感器,即基于霍爾原理的、通過磁場(chǎng)檢測(cè)角度變化的霍爾式可編程角度傳感器。角度傳感器根據(jù)磁敏原理,轉(zhuǎn)動(dòng)端放置磁路發(fā)生裝置。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候,磁場(chǎng)方向方式轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而對(duì)固定的線路板上的敏感元件產(chǎn)品影響。這一影響是微小的,但是經(jīng)過集成電路的處理,變成了能被電子儀器識(shí)別的電壓信號(hào)或者電流小信號(hào)。而大廠將磁敏原件、集成電路封裝在一起形成的芯片,就是可以直接拿來使用的霍爾角度傳感芯片(簡(jiǎn)稱霍爾IC)。

①原理。

通過采用霍爾效應(yīng)(即當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)方向通過導(dǎo)體時(shí),在垂直于磁場(chǎng)和電流方向的導(dǎo)體的兩個(gè)端面之間出現(xiàn)電勢(shì)差的現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)),芯片可以感應(yīng)與芯片表面平行的磁場(chǎng)。

使用一顆直徑6 mm 的圓形徑向小磁鐵,相對(duì)于軸心有著如正交分布的磁場(chǎng),平行在其下方的霍爾IC器件,可以感應(yīng)到場(chǎng)強(qiáng)的變化。由于磁鐵的磁場(chǎng)在霍爾元件表面不同位置的強(qiáng)度不同,霍爾元件感應(yīng)出與其所在位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的電壓信號(hào),電壓信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processor,DSP)計(jì)算處理之后得到磁鐵的位置信息,即可感應(yīng)出旋轉(zhuǎn)范圍在 0～360°的絕對(duì)角度位置,從而真正做到360°無盲區(qū)。

根據(jù)圖霍爾效應(yīng)原理,制作了一個(gè)霍爾電位器,使用了齒輪傳動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了定位測(cè)試?；魻栯娢黄髟砜驁D如圖6 所示。

圖6 霍爾電位器原理框圖Fig.6 Block diagram of Hall potentiometer

霍爾電位器在借用導(dǎo)電塑料電位器外部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,將內(nèi)部接觸式的阻軌和電刷更換為釹鐵硼的徑向充磁永磁體(下稱“磁鋼”)和一顆霍爾芯片?；魻柦嵌葌鞲衅髋c磁鐵布置如圖7 所示。

圖7 霍爾角度傳感器與磁鐵布置示意圖Fig.7 Schematic diagram of Hall angle sensor with magnet placement

通過磁鋼跟隨轉(zhuǎn)軸的360°旋轉(zhuǎn),霍爾芯片根據(jù)徑向磁鋼在不同角度其磁場(chǎng)會(huì)成比例變化,通過測(cè)量各方向的磁通量,就能得出磁鋼的位置。對(duì)于水平旋轉(zhuǎn)應(yīng)用,只需測(cè)量水平兩方向的磁通量。

如圖7 所示,當(dāng)磁鋼在霍爾芯片上旋轉(zhuǎn)時(shí),磁通分量Bx和By將產(chǎn)生兩個(gè)正交的正弦波:Bx正比于余弦cos(α);By正比于正弦sin(α)。通過霍爾陣列,可以將測(cè)量到的兩個(gè)水平磁通量(Bx,By)等比例轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。兩個(gè)水平磁通量與角度的關(guān)系如圖8 所示。

圖8 兩個(gè)水平磁通量與角度的關(guān)系Fig.8 The relationship between two horizontal magnetic fluxes and angles

原始霍爾信號(hào)Vx和Vy分別與Bx和By成正比。信號(hào)放大后,通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集,然后在DSP執(zhí)行以下反正切(ATAN)運(yùn)算,得到角度信息:

式中:Vx為X方向的原始霍爾信號(hào);Vy為 方向的原始霍爾信號(hào);α為角度。

式(1)突出了以下兩個(gè)關(guān)鍵特性:①由于是取Vy和Vx的比值,因此可采用差分測(cè)量技術(shù),信號(hào)放大后兩路霍爾信號(hào)分開采集,不會(huì)影響輸出角度的精度;②能對(duì)空氣間隙變化、熱效應(yīng)影響等而引起的磁場(chǎng)變化進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償(同時(shí)影響兩路霍爾信號(hào),取Vy和Vx的比值時(shí)能消除)[8]。

②優(yōu)點(diǎn)。

霍爾芯片集成了霍爾元件陣列及模擬數(shù)字(analog-to-digital,AD)轉(zhuǎn)換和DSP 邏輯部件,大幅縮小了整體體積,同時(shí)提高了可靠性。由于它具有耐震動(dòng)、不怕灰塵油污水汽鹽霧、無接觸無摩擦、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn),可以廣泛應(yīng)用于機(jī)械變化頻繁、環(huán)境惡劣的場(chǎng)合。圖7 的霍爾電位器是360°多圈轉(zhuǎn)動(dòng)式的,自定義零位,單顆芯片主要用于角度的精確跟蹤,得到全分辨率的測(cè)結(jié)果,在一直帶電的情況下,也可以進(jìn)行自轉(zhuǎn)圈計(jì)數(shù),得到多圈絕對(duì)位置。

③缺點(diǎn)。

由于磁場(chǎng)間隙變化,溫度變化及老化等因素引起磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化,所以有可能引起隨溫度的非線性輸出,一般配合單片機(jī)進(jìn)行非線性和溫度校正。單顆芯片圈數(shù)計(jì)算掉電重新上電,計(jì)數(shù)會(huì)失效。

目前,12～14 位的高分辨率輸出的芯片已在工業(yè)領(lǐng)域和汽車領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在部分汽車角度感應(yīng)應(yīng)用中,例如安全帶張緊器,電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(electyric power steering,EPS)電機(jī)位置、旋轉(zhuǎn)式換檔器和油門系統(tǒng)等,要求在熄火狀態(tài)仍具備角度位置跟蹤功能。此時(shí),可以由汽車電瓶供電,使用低功耗模式中的跟蹤計(jì)數(shù)模式(降低電瓶功耗),例如跟蹤180°或45°(非全分辨率)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)數(shù),保持多圈計(jì)數(shù),得到多圈精確角度。這可保證系統(tǒng)無論在點(diǎn)火模式還是熄火模式,都能準(zhǔn)確而持續(xù)地跟蹤方向盤的位置和安全帶的張緊度。

6 絕對(duì)編碼和霍爾角度結(jié)合技術(shù)

在某些工業(yè)場(chǎng)合,沒有電瓶或者備用電源,增量式位置偏碼器的計(jì)數(shù)功能在斷電后失效,所以其通常被稱為非絕對(duì)位置多圈傳感器。為保持重新上電后的多圈絕對(duì)計(jì)數(shù),在磁角度傳感器的基礎(chǔ)上,增加編碼器計(jì)數(shù)(光電編碼和霍爾開關(guān)編碼均可)。這也是國(guó)際上較為通用的做法。

真多圈霍爾傳感器原理如圖9 所示。其在圖7所示的霍爾IC 基礎(chǔ)上(左側(cè)框外),增加了框圖里的6 組光電絕對(duì)位置編碼。為了縮小體積,使用了直徑盡量小的齒輪,每組絕對(duì)位置編碼放置了2 圈光軌,形成了22×6個(gè)二進(jìn)制編碼(又稱12 位編碼)。其可以用來計(jì)算圈數(shù),即使掉電重啟,也能立刻讀出當(dāng)前位置的編碼,從而得到圈數(shù)位置?；魻朓C 的分辨率(例如選擇12 位芯片高分辨率芯片)就是單圈有效分辨率。這就是一個(gè)4 096×4 096 的高精度真多圈絕對(duì)位置編碼器。

圖9 真多圈霍爾傳感器原理圖Fig.9 True multi-turn Hall sensor principle

①原理。

單圈角度由磁性編碼器完成,圈數(shù)通過幾只光電編碼盤記憶,所以編碼器記憶的是絕對(duì)位置信息。無論編碼器上電與否,編碼器都能記憶量程范圍內(nèi)的任何角度和圈數(shù)。編碼盤記憶的是格雷碼信息,通過CPU 轉(zhuǎn)換成自然二進(jìn)制碼輸出。

②優(yōu)點(diǎn)。

多圈絕對(duì)位置編碼器可以記憶幾千上萬圈,掉電不丟失信號(hào)(不需要電池供電,機(jī)械記憶),機(jī)械零位可任意設(shè)定。其抗干擾能力強(qiáng),響應(yīng)速度快。

③缺點(diǎn)。

由于多圈絕對(duì)位置編碼器集合了磁角度傳感器和光電絕對(duì)值編碼器,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高。

7 基于先進(jìn)的差齒磁角度傳感技術(shù)

霍爾原理的角度傳感器日趨成熟:小小的集成芯片省去了絕對(duì)值光電編碼的復(fù)雜操作,內(nèi)置溫度補(bǔ)償在工業(yè)環(huán)境-40～+85 ℃內(nèi)也可以具有優(yōu)異的線性度和精度。但考慮到光電編碼器計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且易存在因多個(gè)光敏器件可能發(fā)生某顆失效(掉碼、漏碼)而造成的整體安全可靠性降低的情況,可使用計(jì)算的方式規(guī)避這種風(fēng)險(xiǎn)。延伸前文通過霍爾技術(shù)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)角度的方式,采用2 組芯片加上不同齒數(shù)的齒圈,計(jì)算轉(zhuǎn)角度,從而得到的多圈絕對(duì)位置方法,是全新的檢測(cè)多圈旋轉(zhuǎn)角度的方式。

差齒旋轉(zhuǎn)角度傳感器原理如圖10 所示。

圖10 差齒旋轉(zhuǎn)磁角度傳感器原理圖Fig.10 Principle of gear differential rotation magnetic angle sensor

以圖10 為例,由2 組磁鋼配合2 組霍爾角度傳感器。有A、B 兩組齒輪,設(shè)定A 齒輪為m齒主旋轉(zhuǎn)軸,B 齒輪(m+1)齒被動(dòng)旋轉(zhuǎn)。在每個(gè)齒輪的中央鑲嵌著一個(gè)圓形磁鋼。在磁鋼的正上方布置著一個(gè)霍爾角度傳感器。霍爾角度傳感器可以檢測(cè)到磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化。假設(shè)給兩個(gè)芯片設(shè)定起始點(diǎn),就如圖10 的兩個(gè)正對(duì)的三角形,當(dāng)A 齒輪旋轉(zhuǎn)一圈后,A 齒輪的小三角回到原位,而B 齒輪的小三角則跟A 三角有了一個(gè)角度差,即A、B 齒輪間將形成轉(zhuǎn)差。當(dāng)A 軸轉(zhuǎn)動(dòng)(m+1)圈后,B 齒輪與A 齒輪的轉(zhuǎn)差為360°,相當(dāng)于A、B 兩個(gè)齒輪又回到起始位置。所以此組齒輪的方案可以進(jìn)行(m+1)圈內(nèi)的絕對(duì)位置檢測(cè)。

①原理。

通過一組2 個(gè)齒輪的齒差或者直徑差,可以計(jì)算出旋轉(zhuǎn)一圈后兩個(gè)圓的角度差。角度差將決定有效圈數(shù)。通過改變A、B 兩個(gè)齒輪的齒比,可獲得更多種圈數(shù)的絕對(duì)位置測(cè)量。通過改變A、B 兩個(gè)齒輪的齒數(shù),可以改變測(cè)量的精度。此外,也可以通過增加C 齒差齒輪或者更多齒輪,得到更高轉(zhuǎn)圈數(shù)的絕對(duì)位置測(cè)量。行程即使在斷電時(shí)發(fā)生改變,霍爾角度傳感器也能在上電后分辨出行程的變化量和方向,實(shí)現(xiàn)多圈精確絕對(duì)位置。該方法原理十分簡(jiǎn)單,計(jì)算有效、可靠。

③優(yōu)點(diǎn)。

采用霍爾非接觸式測(cè)量,結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)單,僅需要至少2 個(gè)齒輪配合磁鋼、霍爾傳感器就能實(shí)現(xiàn)設(shè)定量程范圍內(nèi)的絕對(duì)位置測(cè)量,無需供電保位。該方法沒有復(fù)雜的結(jié)構(gòu),起始位置和終點(diǎn)位置可以自行任意設(shè)定,操作方便。與編碼器和脈沖計(jì)圈相比,通過記錄轉(zhuǎn)差方式獲得絕對(duì)位置,減輕了處理器負(fù)擔(dān),增加了可靠性,抗干擾能力強(qiáng)。該方法亦可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。

④缺點(diǎn)。

對(duì)于齒輪間隙需要補(bǔ)償計(jì)算,更高圈數(shù)需要配合更多減速比或者齒差,因此該方法會(huì)稍微增大體積。

8 結(jié)論

位置反饋系統(tǒng)對(duì)精確控制精密儀器的位移運(yùn)動(dòng)有決定性作用[9-10]。本文論述了多種常見的多圈位置編碼方式的原理和現(xiàn)狀,通過對(duì)更多先進(jìn)技術(shù)的解讀,采用自制原理試驗(yàn)舉例,闡釋了技術(shù)實(shí)現(xiàn)性,為廣大需要多圈絕對(duì)位置測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用打下理論實(shí)踐基礎(chǔ)。技術(shù)的發(fā)展不是越復(fù)雜越高精越好,實(shí)際應(yīng)用者應(yīng)該根據(jù)自身產(chǎn)品特點(diǎn)、應(yīng)用環(huán)境、使用頻次、精度、成本選擇合適的檢測(cè)方式,才是設(shè)計(jì)的本源。一味地追求更為復(fù)雜的算法,并不能給社會(huì)創(chuàng)造更多的價(jià)值。技術(shù)的發(fā)展使旋轉(zhuǎn)多圈絕對(duì)位置的檢測(cè)更精確、體積更小、成本更低、使用更簡(jiǎn)單。