一种新型电机--关节位置传感器的研究

一种新型电机--关节位置传感器的研究

随着机器人技术的发展，需要有更小更轻的机器人工作在诸如太空等特殊环境，这对机器人关节的检测反馈系统提出了更高的要求。然而普通工业机器人关节通常装备的位置传感器体积大、集成度低，很难满足要求。为了满足位置传感器体积小、集成度高的要求，可以利用磁钢霍尔元件体积小、重量轻、非接触、可检测绝对位置的特点，将其用于关节位置和电机位置测量。但是由于受尺寸限制，霍尔传感器芯片只能检测处于回转中心磁钢的磁场强度，如图l，限制了磁钢霍尔传感器的使用范围。

图1 磁钢霍尔原理图

我们需要研制基于磁钢霍尔元件的高集成度的位置传感器，使得分别和电机、关节转动同步的磁钢布置在具有平行轴线的同一平面上，电机一关节位置传感器检测单元得以集成在一个位置传感器电路板上。

1、霍尔传感器

1.1霍尔传感器原理

1879年霍尔(Hall)在研究电流通过有磁场垂直其平面的长方形金属片所发生的现象时，发现了在金属片的侧面产生了微弱的电位差。这种物理现象被人们称为霍尔效应。20世纪50年代后半期，对化合物半导体的研究，导致了对高迁移率的新型半导体材料的开发，这一进步促进了霍尔器件的研究、开发和应用。目前霍尔器件检测磁场的极限为10−9T。

可以知道，霍尔元件的输出电压为：

V H=R H I C B/d (1)

R H=1/(ne) (2)

式中：V H为霍尔电压；R H为霍尔系数；I C为控制电流；B为磁感应强度；d 为霍尔片厚度；n为载流子浓度；e为电子当量。

由式(1)可看出，V H与R H、I C和B成正比，与d成反比。在这里我们选取特定霍尔器件，可以认为R H和d是霍尔器件的固有特性，为定值；I C由霍尔器件提供，也是一个定值；所以，霍尔元件的输出电压V H仅和磁感应强度B有关，随磁感应强度的变化而线性变化。可以用作检测磁感应强度的传感器。

1.2 霍尔芯片及处理电路

与霍尔传感器配合产生磁感应强度的是磁钢。磁钢是一个圆柱体，直径1.5 mm。厚度0.5mm，N、S极如图l。当磁钢在霍尔芯片上方旋转，磁感应强度B 会随着旋转发生周期性变化，霍尔输出电压V H也因此发生周期变化。

利用霍尔元件这一特点，采用2D—VH—11芯片作为角度传感器。2D—VH —11芯片具有两组霍尔传感器，垂直布置。最大角度误差小于1°。当磁钢旋转时，芯片会感应出两组信号V x和V y，两个信号相位差90°。这两个信号求反正切，即

⁄）。利用这一原理，设计了电--关节位可得磁钢对应角度。即θ=tan−1（V y V x

置传感器电路。原理如图2。

图2中，霍尔芯片输出4个模拟信号，经过IN-A337差模放大、RC滤波，成为具有相位差90°的一对模拟信号。通过A/D转换成数字信号传送到FPGA通信控制器，FPGA将每个关节模块的4个信号传递到DSP，由DSP进行反正切计算，得到关节和电机角度。

2、位置传感器

机器人关节所必需的电机位置测量和关节位置测量都采用霍尔传感器。可大幅减小位置检测系统的体积和雨量，而且研制的位置传感器将电机和关节位置传感器集成在一块PCB上构成新的电--关节位置传感器，具有共用的电源和A/D 电路，如图2，这样进一步提高了关节集成度和可靠性。降低了重量和体积。

图2 检测电路原理图

根据霍尔传感器的特点，磁钢必须处于回转中心。但一般机器人关节内部有力矩传感器、电机、减速器等零部件，还要兼顾走线工艺，因此设计了齿轮加速同心轴传动结构，将于电机、关节转动同步的两枚磁钢布置在具有平行轴线的同一平面上，如图3所示。

1. 电机轴

2.关节轴 3、5.磁钢 4、6.齿轮 7.电路板安装座

图3 传感器机械原理图

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从图3可以看出，关节轴2作为关节主轴穿过中空的电机轴1，一端装有磁钢3通过轴承和安装座7连接，另一端和力矩传感器固定，使磁钢3的旋转和关节旋转同步。电机轴1带动齿轮4，使齿轮6能够和电机轴转速相等，安装在齿轮6上的磁钢5的旋转和电机同步。这样分别代表关节位置和电机位置的磁钢处于同一平面，解决了磁钢布置的问题。关节位置检测电路和电机位置检测电路集成在一块位置传感器电路板上，共用电源和A/D转换电路，提高了传感器集成度和可靠性，降低了走线难度。

3、传感器标定

由于每次装配之后磁钢霍尔元件的配合不可能完全一致，所以装配之后都要对位置传感器进行在线标定，即利用电机位置传感器具有较高精度（减速比100），作为基准来标定精度较低的关节位置传感器。

标定时，控制电机电流，让关节往复运动。传感器测得的电机位置和关节位置数据通过Powerpc实现软件滤波、取峰峰值对中、求反正切等处理，并将电机传感器信号进行转角累加处理，得到如图4结果。

图4 检测的原始曲线

从图4可以看出，当接近峰值附近，即关节到达极限位置进行减速换向时，关节停转位置曲线被削平，这是由于低速时驱动力小于静摩擦力导致堵转的缘故。同时还看到关节位置曲线在极限位置附近相对电机位置曲线有一个较大的偏移

量，这是由于关节转到极限位置负载力矩变大，力矩传感器发生变形造成的。

为了减小标定过程中这些因素的影响，取中间小负载情况。利用最小二乘法优化关节位置补偿量。

根据最小二乘法可知，欲使关节位置补偿量指标J =∑E i 2n i=1最小，则有：

dj =d (∑E i 2n i=1)=d [∑(θi m −θi j +∆θ)2

n i=1]=0

式中：n 为标定次数；θi m 为第i 次标定时的电机位置；θi j 为第i 次标定时的

关节位置；∆θ为关节位置补偿量；E i 为电机位置与关节位置的偏差，则：

∆θ=∑(θi m −θi j )n i=1n

=0.29° 以180°为满量程，得到关节位置传感器精度为±3.08%，重复精度为±1.95%，结果如图5所示。

图5 传感器精度和重复精度

通过采用霍尔元件作为检测角度的基本单元，并利用与之相配套的特殊机械结构，研制了高度集成化的位置传感器，可同时检测电机和关节两组位置信号， 实现了机电结合，软硬件结合：传感器具有可以测量绝对位置、通用性好、结构简单、体积小、非接触和布线容易的特点，成为磁钢霍尔传感器在机器人领域的又一新应用，为轻型机器人关节的研究奠定了坚实基础。