詹涵菁，付建寧，黃文康

(1.重慶大學(xué)，重慶 400044;2.湖南大學(xué)，長沙 410082)

0 引 言

月面采樣機(jī)械臂要經(jīng)歷發(fā)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(huán)境非常惡劣。因此在選用月面采樣機(jī)械臂角度測量元件時，應(yīng)考慮元件的環(huán)境適應(yīng)能力和工作穩(wěn)定性。旋轉(zhuǎn)變壓器具有抗干擾性強(qiáng)、耐高低溫、抗沖擊、震動的優(yōu)點［2］，能滿足月面采樣機(jī)械壁的使用要求。圖1為月面采樣機(jī)械臂某關(guān)節(jié)的裝配圖，圖中示出了旋轉(zhuǎn)變壓器的安裝位置。

圖1 機(jī)械臂關(guān)節(jié)裝配圖

作為角度檢測元件輸出的旋轉(zhuǎn)變壓器與角度相關(guān)的信號是交流信號，無法直接應(yīng)用于數(shù)字伺服系統(tǒng)中，因此，需對旋轉(zhuǎn)變壓器的模擬信號進(jìn)行數(shù)字化處理。通常的數(shù)字化過程采用模擬開關(guān)、采樣/保持器、A/D轉(zhuǎn)換器等組成的轉(zhuǎn)換電路來實現(xiàn)，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)換精度與設(shè)計者的專業(yè)水平和電路設(shè)計經(jīng)驗有極大的關(guān)系。為提高解算精度和減輕設(shè)計者負(fù)擔(dān)，旋轉(zhuǎn)變壓器生產(chǎn)廠商會根據(jù)自己的產(chǎn)品制造相應(yīng)的信號解碼芯片，如多摩川公司的旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片AU6802N1。本文選用多摩川公司的旋轉(zhuǎn)變壓器TS2224N1112E102(轉(zhuǎn)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(shù)字信號與轉(zhuǎn)子的極對數(shù)有關(guān)，開機(jī)后無法給出當(dāng)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)變壓器為例，提出了一種數(shù)字信號解算方法，并將其成功應(yīng)用于月面采樣機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。

1 旋轉(zhuǎn)變壓器信號解算方式

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的信號元件，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的變化影響旋轉(zhuǎn)變壓器原邊與副邊的電磁耦合程度。當(dāng)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角保持正弦、余弦的函數(shù)關(guān)系。旋轉(zhuǎn)變壓器的輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)變壓器的輸入電壓與輸出電壓關(guān)系

旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變壓器的氣隙中產(chǎn)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(guān)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(zhuǎn)變壓器的變壓比;X為轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)。

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(zhuǎn)軸的位置。

2 旋轉(zhuǎn)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(qiáng)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(shù)字接口”設(shè)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(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，旋轉(zhuǎn)變壓器輸出1和旋轉(zhuǎn)變壓器輸出2接口S2，S4;S1，S3用于接收旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的與角度相關(guān)的交流信號。芯片工作原理:芯片接收到信號后經(jīng)集成運(yùn)放處理輸出到模擬乘法器，與反饋并經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換的正/余弦數(shù)字信號相乘，產(chǎn)生的信號再經(jīng)比較器、相位補(bǔ)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(shè)計

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

2.1.1 勵磁調(diào)理電路設(shè)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(zhuǎn)變壓器的要求，需對勵磁信號進(jìn)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(zhuǎn)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(nèi)，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(jù)公式:

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

圖4 勵磁電路

2.1.2 信號接收電路設(shè)計

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

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

圖5 信號調(diào)理電路

2.1.3 相位補(bǔ)償電路設(shè)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(yīng)補(bǔ)償只有滯后補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)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(diào)節(jié)電容C即可達(dá)到很好的補(bǔ)償作用，其相位補(bǔ)償調(diào)節(jié)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(nèi)阻。

2.2 數(shù)字接口電路設(shè)計

系統(tǒng)采用單片機(jī)PIC18F2580作為主控制器，因其豐富的外設(shè)接口和優(yōu)越的性能［6］，可勝任本系統(tǒng)信號采集與處理的工作。系統(tǒng)的數(shù)字接口包括芯片模式設(shè)置接口、并行角度數(shù)據(jù)輸出接口和控制檢測接口。根據(jù)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(shù)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(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子為兩對極式，并在數(shù)字電路中設(shè)置芯片解碼精度為12位，則當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周時，芯片解碼數(shù)據(jù)循環(huán)兩次(即兩次0～4095循環(huán)對應(yīng)兩次0°～360°電角度)，因此我們無法通過輸出的電角度數(shù)據(jù)判斷處于哪個循環(huán)內(nèi)，而且無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器無法標(biāo)示出轉(zhuǎn)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(jī)械零位)就是旋轉(zhuǎn)變壓器解碼后的零位。為上電后即可得到當(dāng)前位置相對參考位置的相對角度(此后稱為機(jī)械角度)，需對AU6802N1解碼后的電角度進(jìn)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(jī)械零位機(jī)械0位線，是機(jī)械角度的參考位置(圖中標(biāo)識了機(jī)械0位、機(jī)械90°位、機(jī)械180°位和機(jī)械270°位)。圖中過圓心的虛線為絕對零位線。其左側(cè)為1區(qū)，右側(cè)為2區(qū)，為方便描述，令K=1表示1區(qū)，K=2表示2區(qū)。圖中A為機(jī)械0位所對應(yīng)的電角度值(在旋轉(zhuǎn)變壓器安裝好后此值為定值)，A'為機(jī)械180°位所對應(yīng)的電角度值(在旋轉(zhuǎn)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(dāng)前位置的機(jī)械角度θ。

圖7 角度處理原理圖

機(jī)械角度θ的求解方程:

3.2 具體實現(xiàn)方式

由機(jī)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(guān)鍵。

3.2.1 常量 A 值的確定

由于本文選取的旋轉(zhuǎn)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(shè)備和以PIC18F2580單片機(jī)為核心的下位機(jī)獲得的。下位機(jī)將采集的處于機(jī)械0位時的電角度值發(fā)送至CAN總線，USB_CAN設(shè)備接收到CAN總線數(shù)據(jù)后再將其轉(zhuǎn)化經(jīng)USB端口發(fā)送至PC。此時獲得的數(shù)據(jù)格式是16進(jìn)制，將其轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)后即得A值。

3.2.2 變量 K 值的確定

K值代表此時轉(zhuǎn)子所處的區(qū)域，分為1區(qū)和2區(qū)。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(rèn)機(jī)械臂處于1區(qū)，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(zhí)行結(jié)果決定的。由圖7可知，轉(zhuǎn)子由1區(qū)躍入2區(qū)或由2區(qū)躍入1區(qū)時X值會發(fā)生突變，可據(jù)此確定K值的變化，并在發(fā)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(rèn)K值為1，所以在第一次上電時需保持設(shè)備處于1區(qū)(經(jīng)驗，處于機(jī)械0位處即可)。為節(jié)約程序執(zhí)行時間，編寫程序時應(yīng)保證只在每次上電時讀取1次EEPROM中的K值。

3.2.3 機(jī)械角度 θ的實現(xiàn)

確定A值后，根據(jù)機(jī)械角度θ的計算公式和角度轉(zhuǎn)化所需的邏輯，繪制程序設(shè)計流程圖如圖8所示。

圖8 程序設(shè)計流程圖

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

主要實現(xiàn)步驟:

1)給開關(guān)量Fir賦值，讀取電角度值并賦給X和X_past，開關(guān)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(fā)生突變后根據(jù)具體情況更改K值，并將其保存在EEPROM中。

3)根據(jù)A值、X值和K值計算機(jī)械角度θ。

4)每次計算完機(jī)械角度θ后，將X值賦給X_past，以便下一循環(huán)使用。

4 試驗驗證

4.1 角度轉(zhuǎn)換精度試驗

將上述旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路制成PCB板，如圖9所示。將旋轉(zhuǎn)變壓器安裝于機(jī)械臂腕關(guān)節(jié)并連接相關(guān)線路。PC機(jī)通過USB－CAN設(shè)備將腕關(guān)節(jié)需轉(zhuǎn)動的角度值指令向下位機(jī)發(fā)送，從而使驅(qū)動電機(jī)按給定角度轉(zhuǎn)動。在實際試驗中考慮到腕關(guān)節(jié)角度測量設(shè)備的限制，此處只測量了轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)中0°到80°的角度數(shù)據(jù)。

圖9 實驗用PCB板

保持腕關(guān)節(jié)在多個位置處于靜止?fàn)顟B(tài)，用角度尺測量腕關(guān)節(jié)相對于小臂管的角度，將實驗數(shù)據(jù)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(tǒng)在任意位置上電均能給出機(jī)械角度的功能，試驗時分別在機(jī)械臂末端處于0 °、45°、90°、135°、180°、225°、270°時給角度測量系統(tǒng)斷電，過2 min后上電。這些特殊位置已經(jīng)涵蓋了機(jī)械臂所有可能無法給出正確機(jī)械角度的位置。觀察此時角度測量系統(tǒng)上傳到上位機(jī)的角度數(shù)據(jù)，如表2所示。

試驗結(jié)果表明，上電后與角度有關(guān)的信息沒有丟失，實現(xiàn)了上電即得機(jī)械角度的功能。此處說明:上位機(jī)中角度信息只顯示小數(shù)點后一位，因此會出現(xiàn)上電后有些關(guān)節(jié)出現(xiàn)0.2°的偏差。

表2 任意位置上電試驗數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語

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

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