多圈絕對位置傳感技術研究

袁 菲

(深圳萬訊自控股份有限公司,深圳 518000)

0 引言

在工業自動化控制領域,有大量往復運動的場合,需要得到精確的位置信號。例如紡織機械、灌溉機械、印刷造紙、水利閘門、港口起重機械、鋼鐵冶金設備等。在當前熱門的機器人技術和汽車應用中,由于電動助力轉向和電機位置傳感,許多應用都需要檢測旋轉目標的角度。角度檢測可實現這些設備和精密儀器精確控制。為了滿足位置精度的要求,運動部件還需要設計反饋系統,形成閉環控制,最終達到誤差控制的目的[1]。

本文通過詳細比較各類多圈旋轉的位置檢測傳感技術的原理和優缺點,分析多圈旋轉的位置檢測傳感技術發展,為不同的應用場合選擇使用多圈位置傳感技術提供參考。

1 導電塑料電位器

導電塑料電位器是20 世紀50 年代后期出現的一種以導電塑料為電阻體的碳質電位器[2],是自動化設備上應用較廣的旋轉位置檢測裝置。

①原理。

導電塑料電位器的功能是把一個機械位移轉換成電氣信號,并且該信號能夠與機械運動成正比。簡單地說,電位器就是一個滑動變阻器。雖然通過檢測滑動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動,會隨運行時間磨損造成相同位置阻值的變化,從而影響測試的準確度。為了避免阻值變動帶來的位置變化,采用電壓分配則穩定很多。電位器的阻軌兩端連接到穩定的直流電壓(輸入電壓Ui),電刷裝配也連接到激勵器,使塑料阻軌產生一個分配電壓(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

在測量外部旋轉或者直線運行位移時,通過機械傳動(齒輪傳動,鏈條傳動等)將外部位置轉化成電刷在阻軌中的運動,使機械位移與電刷位置成正比,即被測物當前位移百分比=。通過分析比值的變化是增多還是減少,即可簡單識別正轉和反轉的方向。

②優點。

導電塑料電位器作為一個電壓分配器,可以不必過多考慮阻軌上的總電阻的準確度。這是因為溫度波動只對電阻產生作用,不會影響到測量結果。工業使用的傳感器要求性能出眾、價格便宜,并且可在苛刻環境(例如-40～+150 ℃)下工作。

③缺點。

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,隨著動作次數而磨損,有固定死區、回差大。對于多圈運動場合,需要增加減速齒輪組,將多圈全行程縮到導電塑料的一圈有效行程里。圈數越多,齒輪組減速比越大,分辨率越低。以一個U 圈(如圖2 例,U=100 圈)的絕對位置檢測為例,使用一套多級減速傳動齒輪組減速比i=i1×i2×i3×i4==128,將U 圈全行程壓縮到單圈內,則全行程壓縮后角度A=×360°=281.25°。而阻軌有效電氣角度B(通常一個帶止位的單圈電位器的有效機械角度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°(假設為0.1°),現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、回差小等特點[3]。編碼器是一種降旋轉轉換程一串數字脈沖信號的旋轉式傳感器[4]。增量式位置編碼器是將位移轉換成周期性點信號,再把這個電信號轉變程計數脈沖,用脈沖的個數表示位移的大小。脈沖信號的產生可以使用光電感應式、磁開關(霍爾開關或干簧管)等作為脈沖發生裝置。單通道增量式位置編碼器使用一個脈沖發生器,只能產生一組脈沖序列。A、B相編碼器內部有兩組脈沖發生裝置,輸出相位差90°的兩組脈沖序列。正轉和反轉時,兩路脈沖的超前和滯后關系剛好相反[5]。在A、B相編碼器基礎上再增加一組,每轉1 圈產生1 個脈沖,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,專門用于基準點定位。

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°正轉和反轉時兩路脈沖的超前、滯后關系剛好相反,很容易識別出轉軸方向。三方波脈沖相對編碼原理如圖3 所示。

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

由圖3 可知,在B相脈沖的上升沿,正轉和反轉時A相脈沖的電平高低剛好相反,因此可以識別出轉軸旋轉方向。Z相為輸入轉軸每轉一圈產生一個脈沖,用于基準點定位,也用于系統清零信號或坐標原點,以減少測量的積累誤差。

②優點。

增量式位置編碼器原理構造簡單,機械平均壽命長,抗干擾能力強,可靠性高,適合長距離傳輸。電子增量通過電池記憶的好處是可省掉一組機械齒輪,經濟、體積小且沒有圈數限制。這種脈沖編碼器的零點是隨機的,由上電時啟動或者系統清零開始記錄,所有的位置都是相對零點的一個固定計數。轉動一圈會輸出固定的脈沖數,即分辨率。無論旋轉多少圈,它的分辨率都不會降低。需要增加測量精度時,除了單純的增加一圈內脈沖數這種方法外,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數,分辨率可以提高4 倍。

③缺點。

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

3 絕對位置編碼器

為了彌補相對脈沖編碼器的零點相對這個缺點,同樣采用光電脈沖原理,不受掉電記錄影響的絕對位置編碼器應運而生。其依舊由光源、碼盤、接收元件、放大轉換電路等組成,通過光電信號掃碼分度盤上的二進制碼刻度,以準確定位物體的絕對位置值。這是一種在任何時刻、位置均能夠對機械位移進行測量的編碼器。

①原理。

絕對位置編碼器的關鍵在碼盤上。光碼盤是在一個圓盤上刻出由許多道光通道。一圈為一個光通道,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展依次以2 線、4線、8 線、16 線……編排。這樣,在編碼器的每個位置,通過讀取每道刻線的通、暗,可獲得一組從20到2n-1的唯一二進制編碼,也稱格雷碼。這就是n位絕對編碼器。假設n=5,碼盤上由內到外有5 圈碼道,對應獲得一組2(5-1)脈沖,輸出編碼11111～00000,稱為5 位絕對編碼器。五位絕對位置編碼器原理如圖4 所示。

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

編碼器生產廠家運用鐘表齒輪機械原理,當中心碼盤旋轉時,通過齒輪傳動另一碼盤(或多組齒輪,多組碼盤),在單圈編碼的基礎上再增加圈數的編碼,以擴大編碼器的測量范圍。這樣的絕對編碼器稱為多圈式絕對編碼器。

②優點。

絕對位置編碼器由機械位置確定編碼,每個位置編碼唯一不重復,而無需記憶。其測量范圍大,實際使用往往富裕較多,這樣在安裝時不必要費勁找零點,將某一中間位置作為起始點即可,大大簡化了安裝調試的難度。相對增量式位置編碼器,因為絕對位置編碼器會鎖定軸的位置,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序列。即使在編碼器關閉時軸被轉動,旋轉軸也可以在啟動時或斷電后更快獲取所需的位置數據。絕對位置編碼器的系統通常不易受電氣噪聲的影響。這是因為它們通過從二進制編碼器讀取錯誤檢查代碼獲取位置,或通過串行總線獲取數字化位置,而不需要像增量式位置編碼器那樣對脈沖計數。且多圈絕對位置編碼器是在單圈編碼器的基礎上通過機械傳動原理結構制作而成。當中心光柵碼盤旋轉時,通過齒輪傳動另一組碼盤(或多組齒輪,多組碼盤),在單圈編碼的基礎上再增加圈數的編碼,以擴大編碼器的測量范圍。它同樣是由機械位置確定編碼,每個位置編碼唯一不重復,而無需記憶。

③缺點。

絕對位置編碼器結構復雜,成本高。當碼道過多時,容易發生串碼、漏碼等情況,造成數據出錯。

4 磁感應絕對位置編碼器

區別于常見的光電編碼器,根據磁感應原理的磁編碼器將磁霍爾開關與齒輪組搭配,可以實現簡單、有效的編碼[6-7]。

(1)原理。

隨著霍爾開關在設計應用的增多,在智能表計數方面也出現了它的身影。霍爾開關是一種有源磁電轉換器件,它使用霍爾效應原理把磁輸入信號轉換成電信號。霍爾開關使用其數字輸出功能,按感應方式可以分成以下4 類。

①單極性霍爾開關。當一個磁極靠近它,輸出低電平信號,磁場磁極離開它輸出高電平信號。單極性霍爾開關會指定磁極(N 極或者S 極)感應才有效。

②雙極性非鎖存型霍爾開關。其通常在S 極磁場強度足夠的情況打開,N 極磁場強度足夠的情況關閉。但如果磁場被移除,則其隨機輸出。

③雙極性鎖存型霍爾開關。通常在S 極磁場強度足夠的情況打開。如磁場被移除,則其繼續保持開啟狀態,直到N 極磁場強度足夠的情況關閉。

④全極性霍爾開關。只要有足夠強度的N 極或S極,其就能打開;在沒有磁場的時候,會關閉輸出。

根據上述原理,本文試驗使用了4 組磁鋼8 個霍爾開關構成一個絕對位置磁編碼器。絕對位置磁編碼器原理如圖5 所示。由圖5 可知:最右側為主旋轉軸,左側為多個由旋轉軸帶動的轉輪。每個轉輪中心上有永磁鐵。圓形永磁體呈徑向磁極分布,帶著幾個霍爾開關形成一組如圖3 所示的3 方波脈沖的編碼單元。每個編碼單元可以產生000～111 的8 個碼。8 ∶1 的齒輪比帶動下一組轉輪編碼單元。編碼單元越多,編碼數值越大,4 組就能形成有效的12 位編碼。

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

(2)優點。

磁感應絕對位置編碼器編碼簡單。由于霍爾開關的大量生產和應用,成本較低,多圈編碼更精確、有效。

(3)缺點。

磁感應絕對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

隨著技術的不斷革新進步,磁編的體積越做越小,從上述只能感應最強磁極性的開關,發展到了可以感應全磁場強度的磁敏傳感器,即基于霍爾原理的、通過磁場檢測角度變化的霍爾式可編程角度傳感器。角度傳感器根據磁敏原理,轉動端放置磁路發生裝置。當轉軸轉動的時候,磁場方向方式轉動,進而對固定的線路板上的敏感元件產品影響。這一影響是微小的,但是經過集成電路的處理,變成了能被電子儀器識別的電壓信號或者電流小信號。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(簡稱霍爾IC)。

①原理。

通過采用霍爾效應(即當電流垂直于外磁場方向通過導體時,在垂直于磁場和電流方向的導體的兩個端面之間出現電勢差的現象稱為霍爾效應),芯片可以感應與芯片表面平行的磁場。

使用一顆直徑6 mm 的圓形徑向小磁鐵,相對于軸心有著如正交分布的磁場,平行在其下方的霍爾IC器件,可以感應到場強的變化。由于磁鐵的磁場在霍爾元件表面不同位置的強度不同,霍爾元件感應出與其所在位置的磁場強度成正比的電壓信號,電壓信號經過模數轉換器和數字信號處理器(digital signal processor,DSP)計算處理之后得到磁鐵的位置信息,即可感應出旋轉范圍在 0～360°的絕對角度位置,從而真正做到360°無盲區。

根據圖霍爾效應原理,制作了一個霍爾電位器,使用了齒輪傳動的執行機構進行了定位測試。霍爾電位器原理框圖如圖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電塑料電位器外部結構的基礎上,將內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。霍爾角度傳感器與磁鐵布置如圖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

通過磁鋼跟隨轉軸的360°旋轉,霍爾芯片根據徑向磁鋼在不同角度其磁場會成比例變化,通過測量各方向的磁通量,就能得出磁鋼的位置。對于水平旋轉應用,只需測量水平兩方向的磁通量。

如圖7 所示,當磁鋼在霍爾芯片上旋轉時,磁通分量Bx和By將產生兩個正交的正弦波:Bx正比于余弦cos(α);By正比于正弦sin(α)。通過霍爾陣列,可以將測量到的兩個水平磁通量(Bx,By)等比例轉換為電壓信號。兩個水平磁通量與角度的關系如圖8 所示。

圖8 兩個水平磁通量與角度的關系Fig.8 The relationship between two horizontal magnetic fluxes and angles

原始霍爾信號Vx和Vy分別與Bx和By成正比。信號放大后,通過模數轉換器進行采集,然后在DSP執行以下反正切(ATAN)運算,得到角度信息:

式中:Vx為X方向的原始霍爾信號;Vy為 方向的原始霍爾信號;α為角度。

式(1)突出了以下兩個關鍵特性:①由于是取Vy和Vx的比值,因此可采用差分測量技術,信號放大后兩路霍爾信號分開采集,不會影響輸出角度的精度;②能對空氣間隙變化、熱效應影響等而引起的磁場變化進行自動補償(同時影響兩路霍爾信號,取Vy和Vx的比值時能消除)[8]。

②優點。

霍爾芯片集成了霍爾元件陣列及模擬數字(analog-to-digital,AD)轉換和DSP 邏輯部件,大幅縮小了整體體積,同時提高了可靠性。由于它具有耐震動、不怕灰塵油污水汽鹽霧、無接觸無摩擦、使用壽命長等特點,可以廣泛應用于機械變化頻繁、環境惡劣的場合。圖7 的霍爾電位器是360°多圈轉動式的,自定義零位,單顆芯片主要用于角度的精確跟蹤,得到全分辨率的測結果,在一直帶電的情況下,也可以進行自轉圈計數,得到多圈絕對位置。

③缺點。

由于磁場間隙變化,溫度變化及老化等因素引起磁場強度的變化,所以有可能引起隨溫度的非線性輸出,一般配合單片機進行非線性和溫度校正。單顆芯片圈數計算掉電重新上電,計數會失效。

目前,12～14 位的高分辨率輸出的芯片已在工業領域和汽車領域廣泛應用。在部分汽車角度感應應用中,例如安全帶張緊器,電子動力轉向電動助力轉向(electyric power steering,EPS)電機位置、旋轉式換檔器和油門系統等,要求在熄火狀態仍具備角度位置跟蹤功能。此時,可以由汽車電瓶供電,使用低功耗模式中的跟蹤計數模式(降低電瓶功耗),例如跟蹤180°或45°(非全分辨率)進行轉動計數,保持多圈計數,得到多圈精確角度。這可保證系統無論在點火模式還是熄火模式,都能準確而持續地跟蹤方向盤的位置和安全帶的張緊度。

6 絕對編碼和霍爾角度結合技術

在某些工業場合,沒有電瓶或者備用電源,增量式位置偏碼器的計數功能在斷電后失效,所以其通常被稱為非絕對位置多圈傳感器。為保持重新上電后的多圈絕對計數,在磁角度傳感器的基礎上,增加編碼器計數(光電編碼和霍爾開關編碼均可)。這也是國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 基礎上(左側框外),增加了框圖里的6 組光電絕對位置編碼。為了縮小體積,使用了直徑盡量小的齒輪,每組絕對位置編碼放置了2 圈光軌,形成了22×6個二進制編碼(又稱12 位編碼)。其可以用來計算圈數,即使掉電重啟,也能立刻讀出當前位置的編碼,從而得到圈數位置。霍爾IC 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4 096×4 096 的高精度真多圈絕對位置編碼器。

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,圈數通過幾只光電編碼盤記憶,所以編碼器記憶的是絕對位置信息。無論編碼器上電與否,編碼器都能記憶量程范圍內的任何角度和圈數。編碼盤記憶的是格雷碼信息,通過CPU 轉換成自然二進制碼輸出。

②優點。

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

③缺點。

由于多圈絕對位置編碼器集合了磁角度傳感器和光電絕對值編碼器,結構復雜,成本高。

7 基于先進的差齒磁角度傳感技術

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值光電編碼的復雜操作,內置溫度補償在工業環境-40～+85 ℃內也可以具有優異的線性度和精度。但考慮到光電編碼器計數結構復雜,且易存在因多個光敏器件可能發生某顆失效(掉碼、漏碼)而造成的整體安全可靠性降低的情況,可使用計算的方式規避這種風險。延伸前文通過霍爾技術檢測旋轉角度的方式,采用2 組芯片加上不同齒數的齒圈,計算轉角度,從而得到的多圈絕對位置方法,是全新的檢測多圈旋轉角度的方式。

差齒旋轉角度傳感器原理如圖10 所示。

圖10 差齒旋轉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,設定A 齒輪為m齒主旋轉軸,B 齒輪(m+1)齒被動旋轉。在每個齒輪的中央鑲嵌著一個圓形磁鋼。在磁鋼的正上方布置著一個霍爾角度傳感器。霍爾角度傳感器可以檢測到磁鋼轉動角度的變化。假設給兩個芯片設定起始點,就如圖10 的兩個正對的三角形,當A 齒輪旋轉一圈后,A 齒輪的小三角回到原位,而B 齒輪的小三角則跟A 三角有了一個角度差,即A、B 齒輪間將形成轉差。當A 軸轉動(m+1)圈后,B 齒輪與A 齒輪的轉差為360°,相當于A、B 兩個齒輪又回到起始位置。所以此組齒輪的方案可以進行(m+1)圈內的絕對位置檢測。

①原理。

通過一組2 個齒輪的齒差或者直徑差,可以計算出旋轉一圈后兩個圓的角度差。角度差將決定有效圈數。通過改變A、B 兩個齒輪的齒比,可獲得更多種圈數的絕對位置測量。通過改變A、B 兩個齒輪的齒數,可以改變測量的精度。此外,也可以通過增加C 齒差齒輪或者更多齒輪,得到更高轉圈數的絕對位置測量。行程即使在斷電時發生改變,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,實現多圈精確絕對位置。該方法原理十分簡單,計算有效、可靠。

③優點。

采用霍爾非接觸式測量,結構布置簡單,僅需要至少2 個齒輪配合磁鋼、霍爾傳感器就能實現設定量程范圍內的絕對位置測量,無需供電保位。該方法沒有復雜的結構,起始位置和終點位置可以自行任意設定,操作方便。與編碼器和脈沖計圈相比,通過記錄轉差方式獲得絕對位置,減輕了處理器負擔,增加了可靠性,抗干擾能力強。該方法亦可實現遠距離傳輸。

④缺點。

對于齒輪間隙需要補償計算,更高圈數需要配合更多減速比或者齒差,因此該方法會稍微增大體積。

8 結論

位置反饋系統對精確控制精密儀器的位移運動有決定性作用[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狀,通過對更多先進技術的解讀,采用自制原理試驗舉例,闡釋了技術實現性,為廣大需要多圈絕對位置測量技術的應用打下理論實踐基礎。技術的發展不是越復雜越高精越好,實際應用者應該根據自身產品特點、應用環境、使用頻次、精度、成本選擇合適的檢測方式,才是設計的本源。一味地追求更為復雜的算法,并不能給社會創造更多的價值。技術的發展使旋轉多圈絕對位置的檢測更精確、體積更小、成本更低、使用更簡單。