張家敏，許德章，董躍龍

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六維力傳感器動態(tài)測試電磁激勵力控制電路設計與分析

*張家敏1 ,2,3，許德章1 ,2,3，董躍龍1 ,2

(1.安徽工程大學機械與汽車工程學院，安徽，蕪湖 241000；2.安徽工程大學先進數(shù)控和伺服驅(qū)動技術(shù)實驗室，安徽，蕪湖 241000 3.蕪湖安普機器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，安徽，蕪湖 241007)

針對脈沖激勵和單位階躍法測試六維力傳感器動態(tài)性能時輸出力單一，力值大小調(diào)節(jié)較困難，且負載信號的檢測不理想等問題，采用電磁激振原理，致力于諧波激勵裝置的研制。針對電磁滯后特性，以及電磁激勵力隨頻率增加呈衰減特性，采用雙閉環(huán)控制方案，即內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為激勵力反饋環(huán)，設計了一款六維力傳感器動態(tài)測試電磁激勵力控制電路。該電路測試結(jié)果表明電磁激勵力輸出幅度在傳感器工作帶寬內(nèi)保持恒定，完全滿足基于諧波激勵法六維力傳感器動態(tài)性能測試要求。

六維力傳感器；諧波激勵裝置；雙閉環(huán)控制；電路；動態(tài)性能測試

0 引言

近年來隨著機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對機器人的相關研究也越來越多，而實際應用中對于標定實驗大多采用砝碼盤和沖擊錘等階躍和脈沖類激勵裝置，由于其工作帶寬窄且可控性低，無法滿足自動化程度要求[1-3]。本課題設計的雙E型電磁激振器的驅(qū)動裝置為頻率類激勵，其動態(tài)激勵輸出的頻率和幅值均可通過外部電路實現(xiàn)控制，實用性好且操作簡單[4,5]。本文針對雙E型電磁激振器的控制及電阻應變片組成的電橋的信號采集設計了一種信號控制轉(zhuǎn)換電路。

1 電磁激振器激勵力輸出特性

1.1 電磁激振器的結(jié)構(gòu)和工作原理

本課題設計的電磁激振器由左右兩個閉合磁路組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，左閉合磁路包括鐵心1、擋板2、活動銜鐵3，右閉合回路包括鐵心8、擋板7、活動銜鐵6，左右閉合磁路由直筒型軸承4、5連接起來，且直筒型軸承5上安裝傳動桿9，傳動桿9的另一端和六維力傳感器實驗臺連接[6]（圖1中未畫出）。

當左線圈中通有電流時，在電磁力作用下，左活動銜鐵向左擋板移動，從而驅(qū)動傳動桿向左移動；當右線圈中通有電流時，在電磁力作用下，右活動銜鐵向右擋板移動，從而驅(qū)動傳動桿向右移動；在將交流電分波處理后分別輸入左、右線圈時，傳動桿可完成連貫的左右運動，并通過傳動桿將這種激勵力（電磁力）傳遞給多維力傳感器實驗臺。

圖1 電磁激振器模型圖

1.2 電磁激振器輸出特性

電磁激振器的力學模型結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 電磁激振器力學模型

其中，1為纏繞線圈的鐵塊，2為活動銜鐵，3為傳動桿。傳動桿和六維力傳感器實驗臺連接，連接可等效為一個彈簧和一個阻尼器，彈簧的剛度系數(shù)為，阻尼器的阻尼系數(shù)為，則該系統(tǒng)的運動形式可用牛頓第二定律來表述：

式中，()為電磁激振器纏繞線圈的鐵塊和活動銜鐵間的距離，為纏繞線圈的鐵塊對活動銜鐵產(chǎn)生的電磁力。

電磁力的公式：

電磁回路的電壓方程：

(3)

對式（2）分析可知，電磁力是關于位移()的非線性函數(shù)，則該系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)。按泰勒級數(shù)展開對非線性方程進行處理，即平衡點，可得

以參數(shù)為狀態(tài)變量，則該電磁激振器的狀態(tài)空間方程可表述為：

(6)

由以上分析可知，電磁吸力和電壓、銜鐵位置、激勵信號頻率有關，使電磁激振器的輸出激勵可控需相應的驅(qū)動電路進行控制。

2 電磁激振器控制方案

由于電磁激振器在交變電流作用下，磁體中存在渦流和磁滯損耗，易引起磁力幅值衰減，同時線圈的阻抗使得輸出的電流信號相位產(chǎn)生滯后[7]。為了減小幅值衰減和相位滯后的影響，本文提出了雙閉環(huán)控制方案，即內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為激勵力反饋環(huán)，控制原理如圖3所示[8-9]。電磁激振系統(tǒng)期望力信號與實時力信號相減得到力誤差，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字信號，再經(jīng)力控制器計算得到所需的電流參考值，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換之后與實時電流數(shù)據(jù)相減得到電流誤差，再經(jīng)過電流控制器得到期望電流。由于內(nèi)環(huán)中電磁鐵的電阻較小而電感較大，相當于慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)較大，這將導致輸出電流延緩地反應輸入電壓的變化規(guī)率，最終會影響電磁激振器穩(wěn)定性及控制性能，因此引入電流環(huán)反饋來加快電流響應速度。

圖3 雙閉環(huán)控制方案原理圖

控制部分包括比較環(huán)、PI控制、功率放大、分波處理和電流采樣。PI控制對信號進行比例積分運算，加快電流響應速度，從而改善激振器的幅值衰減和相位滯后影響，功率放大用于對激勵信號的放大處理，為激振器提供足夠的驅(qū)動電流，電流采樣可反饋線圈中的誤差電流，再輸入比較環(huán)進行差分運算，從而提高輸出波形的準確度。

電橋的信號采集原理圖如圖4所示：采用模塊化設計，模塊之間通過串聯(lián)端口連接。該結(jié)構(gòu)可提高系統(tǒng)的冗余性，且系統(tǒng)級聯(lián)可最大程度保證輸出電信號的穩(wěn)定性。

圖4 電橋信號采集原理圖

信號采集部分主要由恒流源產(chǎn)生模塊、放大模塊、供電接口、轉(zhuǎn)換接口和輸出接口組成。其中，恒流源產(chǎn)生模塊為電橋提供恒定的電流，放大模塊對電橋輸出的微弱電信號進行放大處理，供電接口、轉(zhuǎn)換接口、輸出接口用于模塊間的供電和信號傳輸。

3 電磁激振器控制電路

3.1 電磁激振器控制器及驅(qū)動電路設計

由于電磁激振器工作頻帶比較寬，且對激勵力響應速度要求比較高，即要求激勵力輸出滯后盡可能小。因此，采取模擬硬件電路構(gòu)建電磁激振器的控制器，且采取簡單PID控制方法。

設計的控制電路如圖5所示[10-11]。

圖5 控制電路

圖5虛線框1為比較環(huán)，虛線框2為PI控制部分，虛框4為電流采樣部分，它們的芯片都采用通用運算放大器UA741。

而電流采樣可將線圈中的電流誤差反饋到比較環(huán)，通過差分運算使期望電流的精度提高。

圖5虛線框3為功率放大部分，選用APEX公司的高壓功率運算放大芯片MP38CL，它是一款新型的專門用于高壓設備的功率放大器，輸出功率帶寬為20 kHz，最大輸出電流為10 A，滿足設計要求。

3.2 信號轉(zhuǎn)換部分

由于六維力傳感器實驗臺是用于檢測三維空間的全力信息，即要對6路信號分別采集，但每一路的檢測原理相同，所以本文只取一路信號采集電路分析，具體電路如圖6所示，其中，電橋由貼在六維力傳感器實驗臺彈性體表面的電阻應變片組成，組橋方式為差動全橋，用于力信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。

圖6 信號采集電路

圖6虛框5為恒流源產(chǎn)生模塊，其選用LM317穩(wěn)壓芯片，根據(jù)LM317輸出端和調(diào)節(jié)端在正常工作時兩端的穩(wěn)定電壓為1.25 V，而該實驗的電橋需要20 mA的恒定電流供電，根據(jù)關系式可知，取整后調(diào)節(jié)電阻。

圖6虛框7為放大模塊，選用微功耗功率放大芯片INA122，可將電橋輸出的微弱電信號進行高倍數(shù)放大，其放大增益公式為：，其中為外設電阻。為了便于A/D轉(zhuǎn)換的需要，可通過調(diào)節(jié)其阻值來改變增益大小，該電路的放大倍數(shù)設定為10000，則外設電阻。

控制電路和信號采集電路共同組成了本文設計的電路，其中信號采集電路包含6路，具體電路板如圖7所示。

圖7 電路板實物圖

4 實驗測試

由于本電路板實測項目較多，限于篇幅本文只給出數(shù)據(jù)采集的檢測結(jié)果。設定函數(shù)發(fā)生器輸出波形的頻率分別為100 Hz和200 Hz，電壓幅值均為10 V的正弦波，通過控制電路的運算和轉(zhuǎn)換可得到放大的正弦信號，經(jīng)二極管的分波輸入到線圈中，從而驅(qū)動電磁激振器為六維力傳感器實驗臺提供激勵，信號轉(zhuǎn)換電路通過對電橋信號放大處理可間接測量實驗臺所受激勵大小，并通過虛擬儀器平臺讀取實驗采集結(jié)果，檢測結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出應變波形雖然分布較廣，但主要集中在100 Hz和200 Hz頻率段左右，與激勵信號的頻率相吻合。

圖8 檢測結(jié)果

5 結(jié)論

通過實驗分析，該電路能實現(xiàn)對雙E型電磁激振器頻率和幅值的控制，同時可用于對電橋信號的采集測量。首先激勵信號通過控制電路的運算和轉(zhuǎn)換可得到放大的正弦信號，經(jīng)二極管的分波輸入到線圈中，從而驅(qū)動電磁激振器為六維力傳感器實驗臺提供激勵，然后經(jīng)過恒流源產(chǎn)生模塊對電橋供電，用放大模塊對電橋信號放大處理，最后將讀取數(shù)據(jù)用虛擬儀器顯示。實際應用表明，設計的電阻應變片式六維力傳感器信號控制轉(zhuǎn)換電路運行正常，檢測效果較好，具有一定的實用價值。

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DESIGN AND ANALYSIS OF CONTROL CIRCUIT BASED ON SIX-AXIS FORCE SENSOR DYNAMIC TEST EXCITATION FORCE

*ZHANG Jia-min1,2,3,XU De-zhang1,2,3，DONG Yue-long1,2

（1.School of Mechanical and Automotive Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000, China;2.Advanced Numerical & Servo Technology, Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000, China；3.Wuhu anpu robot technology research institute co.,LTD,Wuhu,Anhui 241007,China）

According to the existing problems of the driving device with single, narrow bandwidth and undesirability load signal detection in the dynamic performance test of six-axis force sensor. Based on the method of pulse excitation and unit step change, we develop the harmonic excitation device based on the principle of electromagnetic vibration. According to the characteristics of electromagnetic hysteresis and the electromagnetic force attenuation with the frequency increasing, we adopted double closed-loop control scheme with the inner for the current loop, the outer for the exciting feedback loop. We also designed a kind of electromagnetic excitation control circuit for dynamic test of six-axis force sensor. The test results show that the electromagnetic excitation force output amplitude remains constant over a bandwidth of sensor and fully meet the dynamic test of six-axis force sensor based on harmonic excitation.

six-axis force sensor ;harmonic excitation device；double closed-loop control; circuit；dynamic test

1674-8085(2015)06-0066-05

TP212

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2015.06.014

2015-07-07；修改日期：2015-09-18

國家自然科學基金項目(51175001）；安徽省自然科學基金項目(11040606M144)

*張家敏(1990-)，男，安徽合肥人，碩士生，主要從事機器人與信息感知研究(E-mail:zjmsurfer@163.com);

許德章(1964-)，男，安徽蕪湖人，教授，博士，碩士生導師，主要從事機器人感知研究(E-mail:xdz@ahpu.edu.cn);

董躍龍(1989-)，男，江蘇建湖人，碩士生，主要從事機器人與信息感知研究(E-mail:1010083167@qq.com).