EAST柔性機械手臂體數據采集系統設計

梁世盛，魏曉陽，王海勇，袁茂強，敖飛平

(1.上海航天設備制造總廠，上海 200245；2.上海衛星工程研究所，上海 200245；3.上海航天工藝裝備工程技術中心，上海 200245)

0　引言

全超導托卡馬克核聚變試驗裝置(experimental advanced superconducting tokamak,EAST)是中國科學院合肥物質科學研究所研制的聚變反應堆裝置，是通過磁約束和真空絕熱來實現受控核聚變的環形容器。該反應堆裝置的設計目的在于進一步研究人類在核聚變能源利用過程中出現的問題[1-2]。

該試驗裝置內部工況惡劣，以致其內壁上的元器件極易出現損壞或故障，需要經常維修。但裝置內部的高溫、高輻射和強磁場使工作人員無法進入維修[3]。因此，在托卡馬克裝置腔體內進行的各項維護作業必須依賴柔性機械手(由機械臂體和末端執行器組成)。機械臂體是柔性機械手的主要組成部分，機械臂體的數據采集系統對其各種作業的性能起關鍵性作用，因此必須使得數據采集系統的采集精度和穩定性處于較高水平。該數據采集系統的設計難點在于：它需在確保采集精度的同時，保證系統在較極端環境中的正常運行。托卡馬克腔為環形腔體，只有采用多關節機械臂體，才能到達腔體內部的任意位置并進行維護。該柔性機械手由5節臂體和1個執行末端組成。每個臂體都負責水平和垂直方向的運動，由2個傳感器模塊與1個數據采集控制模塊進行位姿態的精確獲取。本文著重對機械臂體的采集系統原理和測試情況進行說明。

1　系統總體設計

機械臂體主要的運動包括水平和垂直2個方向的偏擺。采集系統不僅要對臂體的位置信息進行監控，還要對電機的工作溫度進行反饋，以實時監測電機的工作狀態。同時，系統還需要對臂體的傾斜度進行測量，以供其他輔助設計使用。

采集系統主要由單片機、傾角傳感器、位姿傳感器和2個溫度傳感模塊組成。系統工作原理如下：單片機通過SPI通信，分別獲取傾角傳感器和位姿傳感器的信息；單片機A/D接口對溫度采集模塊進行數據轉換讀取；所有數據通過CAN通信上傳至上位機。

采集系統原理框圖如圖1所示。

圖1　采集系統原理框圖

2　系統硬件設計

由于裝置不處于工作狀態時，內部溫度仍處于高溫狀態(80～115 ℃)，所以該電路系統的散熱和元器件耐高溫是設計難點。此外，為避免系統累加誤差，單個臂體位置和傾角的采集定位誤差均需控制在±0.1°以內。

2.1　位姿傳感器

為確保在苛刻環境中得到臂體的位姿信息，并使其符合結構要求，該設計使用AS5047D作為位姿傳感器。AS5047D是一款高精度、非接觸、絕對式的磁線性編碼器，可以準確檢測離軸旋轉運動，對光并不敏感，能夠承受高強震動以及濃細粉塵的工況；具有突破性技術的動態角度誤差補償(dynamic angle error compensation,DAEC)，能抵償傳感器處理磁場強度原始測量值時，因傳播延遲造成的角度動態誤差。該芯片與1個對磁極配合，在最高轉速(14 500 r/min)時，最大角度測量誤差不超過0.18°，工作電壓為3.3 VDC或5 VDC，正常工作溫度為-40～+125 ℃，并且能夠抵抗外部磁場帶來的干擾，以保證系統的穩定性。該芯片提供了SPI、PWM、UVW和ABI等多種通信接口。AS5047D芯片和磁鐵離軸運動感應規定磁體需要在芯片的正上方，最優距離為1.1 mm[3]。

2.2　控制芯片和溫度傳感器

該采集系統的控制芯片使用Microchip公司的單片機DSPIC33FJ128MC804。該芯片為性能強大的16位數字信號控制器(digital signal controller，DSC)，具有擴展的數字信號處理(digital signal processing,DSP)功能和16位微控制器(microcontroller unit，MCU)架構，工作電壓為3.0～3.6 V，每秒處理的百萬級機器指令數(million instructions per second,MIPS)最大為40，并采用精簡指令來提高執行效率。該芯片具有12位ADC、大量數字I/O、UART、SPI、CAN等接口，能夠滿足用戶設計需求。由于該電路需運行于高溫環境，所以選擇擴展級(E級)芯片。該級別芯片的正常運行溫度為-40～+125 ℃，比工業級(-40～+85 ℃)更具耐高溫能力。系統在運行中芯片自身的溫升也需要著重考慮，所以在選擇封裝時，需要選擇溫升最小的封裝。因此，本設計選擇44引腳進行方形扁平無引腳(quad flat no-lead，QFN)封裝，其熱阻值僅為24.5 ℃/W[4]。

為了檢測電機外殼的溫度，需要將溫度傳感器貼于電機外殼，所以該系統采用Pt100鉑電阻作為溫度感應器。由于鉑電阻的阻值會隨著溫度的變化而變化，故需要將阻值的改變量轉化為電壓的變化量，以推算出溫度值。

溫度信號轉換電路如圖2所示。

圖2　溫度信號轉換電路

電路中，使用可控電流源LT3092產生定值電流。該芯片只需利用2個外部電阻器的阻值比，即可得到一個定值電流(范圍為0.5～200 mA)，比其他構造電流源方式更簡便。

LT3092電流源產生的電流計算公式為：

(1)

式中：Isource為輸出電流，μA；Rset為芯片引腳1上的電阻，Ω；Rout為芯片引腳2、4上的電阻，Ω。

該電路采用100 kΩ和1 kΩ的電阻配合LT3092芯片，產生1 mA電流，經過Pt100鉑電阻產生相應電壓后，將電壓放大34.3倍(根據極限工作溫度-30～+150 ℃，對應的電阻值設置放大倍數)。第一個OPA2211運放的輸出端電壓范圍約為3～5.1 V，超出了采集范圍。所以，加入減法電路，使AD1的電壓減小為0.5～2.6 V，符合采用要求。

圖2所示的電路中，Pt100電阻與輸出電壓轉換的公式為：

(2)

式中：UAD1為AD1端的電壓，V；RPt100為Pt100的阻值，Ω。

根據Pt100電阻和溫度的關系，可以得出溫度與電壓的關系為：

(3)

2.3　傾角傳感器

在機械手系統中，多臂體串聯所造成的誤差累積會對系統的安全性造成極大的危害；而位置傳感器自身精度問題所帶來的電機旋轉微小誤差(表現為擺臂誤差)，在機械臂末端亦將造成非常大的累積誤差。所以，該系統通過高精度雙軸傾角傳感器采集每個臂體的實際傾角信息，使得該系統的構成閉環控制，以矯正位姿信息。

傾角傳感器外圍電路如圖3所示。

圖3　傾角傳感器外圍電路

該系統中的傾角傳感器采用ADI公司的ADIS16209芯片。該芯片內部含有1個嵌入式控制器，使用出廠時安裝的校正系數動態地檢測系統環境，并補償直接數字角度輸出，校正溫度、電壓、角度等參數變化導致的誤差。ADIS16209由12位輔助ADC、數模轉換器和警報器組成，具備數字自動檢測以及可程控的狀態監視功能。該器件采用SPI通信方式，單電源3～3.6 V供電，能夠抵抗3 500g(重力加速度)沖擊，工作溫度為-40～+125 ℃[5-6]。

本設計采用電阻和電容組成充電電路，實現上電后芯片的自動復位。電容為10 μF，電阻為100 kΩ。根據電容充放電公式(4)，可以得到充放電時間。

(4)

(5)

式中：Ut為t時刻的電壓，V；U1為最后充滿的電壓，V；U0為初始電壓，V；C為電容，F；R為電阻，Ω。

當電量充滿時，電壓為3.3 V，t時刻電壓為0.8 V，初始值為0。由此可以計算出t=278 ms，滿足芯片復位需求。

3　系統軟件設計

系統軟件程序流程如圖4所示。由于溫度在該系統中只作為輔助信息，其精度在0.5 ℃即可。對于2個溫度采集的結果，取其高8位數據上傳至上位機，有利于節省傳輸時間[7]。

圖4　系統軟件流程圖

4　測試結果和電路改進

對系統的各個模塊和性能進行測試，主要包括耐高溫、位姿模塊誤差和傾角模塊誤差等試驗。

4.1　耐高溫測試

采用蘇州德瑞普DRP-8802型恒溫鼓風干燥箱，對該采集系統進行了多次耐高溫試驗，并通過實時監控該采集系統的采集數據來判定其是否正常工作。多次的耐高溫試驗結果表明，該系統的平均耐高溫約為104 ℃。依據測試結果，對電路上的芯片進行了耐高溫測試。采用排除法(將芯片逐個斷電)，發現單片機的耐高溫性能最差。通過紅外儀測得電路工作時的紅外圖像，單片機的溫度比其周圍高約20 ℃。經分析，其原因可能為：芯片自身功耗的溫升、芯片分布過于密集。所以，必須通過一些舉措提高電路板的耐高溫性能[8-9]。

①將單片機的封裝由薄型四邊引腳扁平封裝(thin profile guad flat packet,TFQP)(封裝熱阻45.8 ℃/W)改為44引腳QFN(封裝熱阻24.5 ℃/W)，可降低46.5%的溫升。

②高耗能芯片的印刷電路板(printed circuit board,PCB)兩面鋪銅和過孔，增強熱散能力。

③分散芯片布局，使元件熱散面積最優化[10]。

對改進后的電路進行了耐高溫試驗，在溫度達到123 ℃時，位置傳感器AS5047D停止工作，電路上其他芯片仍能正常運作。而后將電路置于115 ℃下進行5次重復試驗，每次測驗1 h，電路系統均正常工作，表明對電路板的修改改善了其耐高溫性能。表1即為電路改進前后的耐高溫測量結果對比。

表1　耐高溫測量結果對比

4.2　位置和傾角數據準確性試驗

為了對系統的精確性進行測試，搭建了由上位機、單軸機械臂、2個擺臂電機、采集板和激光跟蹤儀組成的測試臺。采集板和電機都位于機械臂末端，通過上位機控制電機運動。機械臂可以實現水平和垂直的擺臂運動。

上位機對電機進行控制，機械臂擺動角度由激光跟蹤儀進行測定，并與采集系統得到的結果進行對比，誤差曲線如圖5所示。

當機械臂水平運動以2°為間隔量對-90°～+90°進行測定，所得誤差如圖5(a)所示。從圖5(a)中看出，測定誤差基本在±0.1°以內。接著，對傾角的定位精度進行測試。由于系統設計要求機械臂上下擺動幅度在±45°以內即可，所以在測試過程中就以極限值作為試驗范圍。從圖5(b)的測試結果中看出，在±45°內，垂直擺動的誤差保持在±0.1°內，符合系統要求。

圖5　誤差曲線

經過分析，產生角度誤差的因素主要為：磁體的均勻性、磁體與芯片的空間位置精度、電機的步進精度。為提升機械臂控制精度，采用磁極分布更勻稱的磁體，提升機械安裝精度和采用步進精度更高的電機，使得控制效果更佳。

5　結束語

針對試驗型先進超導托卡馬克裝置的內窺機械手臂高精度定位和耐高溫的要求，提出了一種基于高精度磁編碼傳感器AS5047D和傾角傳感器ADIS16209相結合的位姿采集系統，并采用多種輔助傳感器對整個系統進行監測。

針對電路設計中易出現的一些問題，采用多項優化措施，使電路采集系統能夠在保證穩定性的前提下適應115 ℃高溫環境。通過大量的試驗，驗證了該采集系統具備耐高溫和高精度定位的性能，達到了機械臂體的設計要求。

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