機械臂角度傳感器的電路設計與信號處理

詹涵菁，付建寧，黃文康

(1.重慶大學，重慶 400044;2.湖南大學，長沙 410082)

0 引 言

月面采樣機械臂要經歷發射過程中的過載和沖擊，著陸過程的沖擊和著陸月面后的高低溫、高真空電離輻射、月塵［1］等，工作環境非常惡劣。因此在選用月面采樣機械臂角度測量元件時，應考慮元件的環境適應能力和工作穩定性。旋轉變壓器具有抗干擾性強、耐高低溫、抗沖擊、震動的優點［2］，能滿足月面采樣機械壁的使用要求。圖1為月面采樣機械臂某關節的裝配圖，圖中示出了旋轉變壓器的安裝位置。

圖1 機械臂關節裝配圖

作為角度檢測元件輸出的旋轉變壓器與角度相關的信號是交流信號，無法直接應用于數字伺服系統中，因此，需對旋轉變壓器的模擬信號進行數字化處理。通常的數字化過程采用模擬開關、采樣/保持器、A/D轉換器等組成的轉換電路來實現，其電路結構復雜，轉換精度與設計者的專業水平和電路設計經驗有極大的關系。為提高解算精度和減輕設計者負擔，旋轉變壓器生產廠商會根據自己的產品制造相應的信號解碼芯片，如多摩川公司的旋轉變壓器解碼芯片AU6802N1。本文選用多摩川公司的旋轉變壓器TS2224N1112E102(轉子為兩對極)和信號解碼芯片AU6802N1。

信號解碼芯片AU6802N1解碼出來的數字信號與轉子的極對數有關，開機后無法給出當前相對于參考點的絕對位置。為給出絕對位置，本文以兩對極轉子旋轉變壓器為例，提出了一種數字信號解算方法，并將其成功應用于月面采樣機械臂的轉動關節。

1 旋轉變壓器信號解算方式

旋轉變壓器是一種輸出電壓隨轉子轉角變化的信號元件，即轉子轉角的變化影響旋轉變壓器原邊與副邊的電磁耦合程度。當勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時，輸出繞組的輸出電壓與轉子轉角保持正弦、余弦的函數關系。旋轉變壓器的輸入電壓與輸出電壓的關系如圖2所示。

圖2 旋轉變壓器的輸入電壓與輸出電壓關系

旋轉變壓器在工作時，首先在勵磁繞組上施加勵磁電壓U:

式中:U為勵磁電壓;E為電壓幅值;ω=2πf;f為勵磁頻率。

在此勵磁信號的作用下，旋轉變壓器的氣隙中產生脈振磁場［3］，從而兩個空間正交的副邊上輸出與位置有關的電壓信號分別:

式中:US為正弦電壓;UC為余弦電壓;θ為軸角;N為旋轉變壓器的變壓比;X為轉子磁極對數。

由此求得:

由上式可知，通過比較輸出繞組的電壓值即可求得轉軸的位置。

2 旋轉變壓器的角度解算電路

AU6802N1具有所需外圍電路簡單、抗干擾能力強的特點［4］。AU6802N1接口與工作原理如圖3所示，芯片主要接口描述如下:通過“數字接口”設置芯片的工作模式，勵磁源輸出端口RSO為勵磁電路提供參考勵磁信號，勵磁輸入接口R1E、R2E用于對系統工作狀態進行監視，旋轉變壓器輸出1和旋轉變壓器輸出2接口S2，S4;S1，S3用于接收旋轉變壓器輸出的與角度相關的交流信號。芯片工作原理:芯片接收到信號后經集成運放處理輸出到模擬乘法器，與反饋并經D/A轉換的正/余弦數字信號相乘，產生的信號再經比較器、相位補償、同步矯正處理最終得到精確的角度信號。

圖3 AU6802N1接口與工作原理圖

2.1 模擬接口電路設計

系統的模擬接口電路不僅為旋轉變壓器的勵磁繞組提供滿足需求的高品質勵磁信號，而且調理旋轉變壓器輸出的正/余弦信號。因此，模擬電路設計的好壞直接影響解碼角度的準確性。

2.1.1 勵磁調理電路設計

勵磁源來自芯片 AU6802N1的 RSO、COM引腳，RSO引腳提供VRSO=2 V正弦交流電壓，COM引腳提供2.5×(1±0.05)V的參考電壓。勵磁源信號電壓小，無法滿足旋轉變壓器的要求，需對勵磁信號進行放大。本電路選擇的放大芯片為TLC274BI，此芯片具有輸入電阻高、低噪聲、可單電源供電的特點。

勵磁電路如圖4所示，采用單電源供電，供電電壓為12×(1±0.05)V;旋轉變壓器輸入電阻RIN=120 Ω;為保證放大后交流電壓在電源電壓范圍內，取電源電壓最小值VEXT=11.4 V，取放大后正弦振蕩中心電壓為5.7 V，取 Rf=100 kΩ，RIEXT=4.7 Ω。根據公式:

求得 Ri≈448 kΩ。求得 Ri后可選取 Ci，Ci的選取應滿足 Ci·Ri≥5 ×10－4［5］s，Cf的選取應滿足 Cf·Rf≤5 ×10－6s。

圖4 勵磁電路

2.1.2 信號接收電路設計

AU6802N1具有對輸入的正/余弦信號進行監視和斷線檢測的功能，因此需對輸入信號進行調理以滿足芯片的要求。根據勵磁電路中設計的勵磁電壓11.4V(峰峰值)和旋轉變壓器的變壓比0.286，得出旋轉變壓器輸出的信號電壓約為3.26V(峰峰值)。為保證芯片監視電壓在2～3V(峰峰值)范圍內，需外加增益電阻對信號進行調理。本文將監視電壓設置為2.5V(峰峰值)。根據下式:

式中:RI=RI1+RI2。最終求得RI≈72 kΩ。根據供電電壓，確定 RBH=50 kΩ，RBL=20 kΩ。

圖5 信號調理電路

2.1.3 相位補償電路設計

相位的超前或滯后是指輸出信號相位相對于勵磁信號相位。單電源供電不存在相位的超前，因此相應補償只有滯后補償［4］。電路元件在電路板中布置的位置及電路的布線方式等容易引起相位的滯后，因此須對實際測量電路中的相位差后，對滯后相位進行補償。使用單電源供電時，在圖3的R1E和R2E兩端口之間增加一相位調節電容C即可達到很好的補償作用，其相位補償調節電容C的計算方法如下:

式中:α為滯后相位;R1為限流電阻;R為芯片內阻。

2.2 數字接口電路設計

系統采用單片機PIC18F2580作為主控制器，因其豐富的外設接口和優越的性能［6］，可勝任本系統信號采集與處理的工作。系統的數字接口包括芯片模式設置接口、并行角度數據輸出接口和控制檢測接口。根據圖6的接口方式，此電路勵磁信號源頻率為10 kHz，解碼后輸出精度為12位，采用加速度控制模式。

圖6 數字接口電路

3 信號處理

3.1 信號處理原理

由于選取的旋轉變壓器轉子為兩對極式，并在數字電路中設置芯片解碼精度為12位，則當轉子旋轉一周時，芯片解碼數據循環兩次(即兩次0～4095循環對應兩次0°～360°電角度)，因此我們無法通過輸出的電角度數據判斷處于哪個循環內，而且無刷式旋轉變壓器無法標示出轉子與定子的絕對零位(此后稱為絕對零位)，在安裝后無法保證人為選取的零位(此后稱為機械零位)就是旋轉變壓器解碼后的零位。為上電后即可得到當前位置相對參考位置的相對角度(此后稱為機械角度)，需對AU6802N1解碼后的電角度進行處理。

本文提出的角度處理原理如圖7所示。圖中點劃線為機械零位機械0位線，是機械角度的參考位置(圖中標識了機械0位、機械90°位、機械180°位和機械270°位)。圖中過圓心的虛線為絕對零位線。其左側為1區，右側為2區，為方便描述，令K=1表示1區，K=2表示2區。圖中A為機械0位所對應的電角度值(在旋轉變壓器安裝好后此值為定值)，A'為機械180°位所對應的電角度值(在旋轉變壓器安裝好后此值為定值)。X為任意位置時的電角度。通過A或A'、X值和K值就可求出當前位置的機械角度θ。

圖7 角度處理原理圖

機械角度θ的求解方程:

3.2 具體實現方式

由機械角度θ的求解方程可知，常量A值和變量K值的確定是本信號處理方式的關鍵。

3.2.1 常量 A 值的確定

由于本文選取的旋轉變壓器為兩對極，所以A'與A值相同，為描述方便均以A代替。本文的A值是通過PC、USB_CAN設備和以PIC18F2580單片機為核心的下位機獲得的。下位機將采集的處于機械0位時的電角度值發送至CAN總線，USB_CAN設備接收到CAN總線數據后再將其轉化經USB端口發送至PC。此時獲得的數據格式是16進制，將其轉化為十進制數后即得A值。

3.2.2 變量 K 值的確定

K值代表此時轉子所處的區域，分為1區和2區。K值的確定分為兩種情況，即第一次上電和斷電后的再上電。在燒寫程序時將EEPROM中的某個特定位置寫入初值為1，此位置的值代表K值。第一次上電時默認機械臂處于1區，即K值為1。斷電后再上電時EEPROM中的K值是有上次程序的執行結果決定的。由圖7可知，轉子由1區躍入2區或由2區躍入1區時X值會發生突變，可據此確定K值的變化，并在發生變化后及時將K值存入EEPROM中的確定位置。因為第一次上電時默認K值為1，所以在第一次上電時需保持設備處于1區(經驗，處于機械0位處即可)。為節約程序執行時間，編寫程序時應保證只在每次上電時讀取1次EEPROM中的K值。

3.2.3 機械角度 θ的實現

確定A值后，根據機械角度θ的計算公式和角度轉化所需的邏輯，繪制程序設計流程圖如圖8所示。

圖8 程序設計流程圖

流程圖中Fir用來判斷此循環是否是開機后的第一次循環，X_past代表電角度X上一次循環的值。

主要實現步驟:

1)給開關量Fir賦值，讀取電角度值并賦給X和X_past，開關量Fir保證只在每次上電時讀取1次EEPROM中的K值。

2)讀取EEPROM中的K值，讀取X值，并在X值發生突變后根據具體情況更改K值，并將其保存在EEPROM中。

3)根據A值、X值和K值計算機械角度θ。

4)每次計算完機械角度θ后，將X值賦給X_past，以便下一循環使用。

4 試驗驗證

4.1 角度轉換精度試驗

將上述旋轉變壓器解碼電路制成PCB板，如圖9所示。將旋轉變壓器安裝于機械臂腕關節并連接相關線路。PC機通過USB－CAN設備將腕關節需轉動的角度值指令向下位機發送，從而使驅動電機按給定角度轉動。在實際試驗中考慮到腕關節角度測量設備的限制，此處只測量了轉動關節中0°到80°的角度數據。

圖9 實驗用PCB板

保持腕關節在多個位置處于靜止狀態，用角度尺測量腕關節相對于小臂管的角度，將實驗數據記錄并整理，并把其與給定角度對比，如表1所示。從表1可以看出，測量的角度與給定的角度基本吻合，其誤差小于0.2°，從而驗證了解碼電路及信號處理方法的正確性。

表1 解碼后角度與實際角度對比

4.2 任意位置上電試驗

為驗證此角度測量系統在任意位置上電均能給出機械角度的功能，試驗時分別在機械臂末端處于0 °、45°、90°、135°、180°、225°、270°時給角度測量系統斷電，過2 min后上電。這些特殊位置已經涵蓋了機械臂所有可能無法給出正確機械角度的位置。觀察此時角度測量系統上傳到上位機的角度數據，如表2所示。

試驗結果表明，上電后與角度有關的信息沒有丟失，實現了上電即得機械角度的功能。此處說明:上位機中角度信息只顯示小數點后一位，因此會出現上電后有些關節出現0.2°的偏差。

表2 任意位置上電試驗數據

5 結 語

本文介紹了旋轉變壓器位置檢測系統的硬件設計和軟件設計過程，給出了設計的關鍵步驟和關鍵技術的解決方法，將其成功地應用于月球表面采樣的機械臂原理樣機，實現了上電后即可得到當前機械角度信息的目標。試驗表明，此方法精度高，穩定性好，完全能夠滿足電機控制系統的要求，具有廣泛的應用前景。

［1］陳磊，李飛，任德鵬，等.月面和近月面空間環境及影響［J］.航天器工程，2010，19(5):76 －81.

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［3］陳隆昌，閻治安，劉新正.控制電機［M］.3版.西安:西安電子科技大學出版社，2000.

［4］TAMAGAWA Technology Inc.AU6802N1 Users Manual［M］.TAMAGAWA Inc，2011.

［5］拉赫曼 M，夏英超，鄭水妹.基于AU6802N1的旋轉變壓器接口電路設計［J］.電機與控制應用，2006，33(5):17 －19.

［6］Microchip Technology Inc.PIC18F2580/2580/4480/4580 Data －sheet［M］.Microchip Technology Inc，2007.