王 臻,熊 偉,王 偉,班雪梅,郭云龍

（1．北京精密機電控制設備研究所，北京 100076；2．首都航天機械有限公司，北京，100076）

1 引言

編碼器是現(xiàn)代伺服系統(tǒng)常用的傳感器之一，是一種機械與電子緊密結(jié)合的位置測量傳感器，它用于將機械幾何位置的模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，用來檢測軸角位移，加速度，速度，方向等物理量[1]，可以作為伺服系統(tǒng)的反饋信號。近些年來，編碼器已廣泛應用于機器人、數(shù)控設備、儀器儀表以及軍工產(chǎn)品等高新技術領域，且編碼器的種類繁多。根據(jù)信號輸出格式，編碼器被分為絕對式編碼器、增量式編碼器、混合式編碼器。根據(jù)工作原理，又可以將編碼器分為光電式編碼器和磁電式編碼器。根據(jù)量程又可以分為單圈編碼器和多圈編碼器[2]。

機電伺服要求設計一個編碼器實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速下電機軸旋轉(zhuǎn)角度的測量，且在供電斷開后，能夠依靠機械裝置記憶位置信息；并且有工作壽命長，動態(tài)性能好，結(jié)構緊湊的要求。絕對式編碼器在0～360°范圍內(nèi)的每一個位置對應唯一的角度值，且角度信息不會因為斷電導致丟失或出錯，無需掉電保存，可以滿足機械位置記憶的要求。磁電式編碼器相比較于光電式編碼器其結(jié)構簡單，無復雜的工藝要求，采用了無接觸旋轉(zhuǎn)結(jié)構，無機械摩擦，響應速度快，完全滿足伺服電機高速旋轉(zhuǎn)、工作壽命長要求。磁編碼器根據(jù)信號檢測原理的不同可分霍爾式和磁阻式。從原理上來講，雖然磁阻感應的靈敏度比霍爾式的高，響應也快。但是靈敏度高的同時意味著噪聲引入也高，且阻抗不僅對于磁場敏感，對溫度、周圍的電氣環(huán)境也很敏感[3]，霍爾式編碼器更適合測試需求。通過綜合分析，設計方案選擇了基于霍爾原理的多圈絕對式磁電編碼器，用于伺服電機角度絕對位置測量，實現(xiàn)機電伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制。

2 多圈編碼器結(jié)構

根據(jù)伺服機構的安裝需求，編碼器的結(jié)構如圖1 所示。多圈絕對式磁電編碼器結(jié)構主要機械減速箱和調(diào)理電路兩部分組成。減速箱是由多個齒輪嚙合組合而成機械結(jié)構，主要將主軸的高轉(zhuǎn)速通過多級減速齒輪降低，將主軸的轉(zhuǎn)動角度信息分解為圈數(shù)信息和角度信息。磁鋼與減速齒輪同軸，主軸旋轉(zhuǎn)時，磁鋼等比減速旋轉(zhuǎn)，每一個磁編碼芯片與磁鋼同軸對應[4]，磁編碼芯片通過磁場的變化感應齒輪的角度變化。調(diào)理電路部分主要微控制器完成實現(xiàn)磁鋼角度位置的讀取，并完成角度位置信息的計算，并實現(xiàn)與控制系統(tǒng)的通信功能。

圖1 編碼器的結(jié)構

3 編碼器的實現(xiàn)

3.1 減速箱參數(shù)設計

由于圓柱齒輪傳動機構的傳動效率高，傳動比范圍大，只需要幾個齒輪就能獲得大傳動比，適合用來設計大量程；其結(jié)構簡單，容易加工、且成本低，設計選擇外圓柱齒輪傳動機構[5]。減速箱齒輪間的傳動比是減速箱的重要參數(shù)，與編碼器性能指標、以及調(diào)理電路的算法息息相關。為了提高程序的執(zhí)行效率、簡化軟件算法、減小計算誤差，設計的傳動比一般應2的整數(shù)倍。減速箱設計三級減速，第一級和第二級的傳動比為1：4，用于記錄主軸在360 度范圍內(nèi)的角度信息。前兩級設計為相同的傳動比，是作為角度信息的冗余設計。第三級的傳動比為1：128，用于記錄主軸轉(zhuǎn)動的圈數(shù)信息。減速箱的結(jié)構如圖2 所示?？刂葡到y(tǒng)可以通過圈數(shù)信息加上360度內(nèi)的角度信息計算出主軸的角度信息。

圖2 減速箱結(jié)構

3.2 電路設計

編碼器調(diào)理電路主要實現(xiàn)角度信息的采集、數(shù)據(jù)處理、與控制系統(tǒng)的通信。主要由微處理器電路、角度采集電路、信號傳輸電路組成。

3.2.1 微處理器電路

編碼器的主控部分選擇了意法半導體公司的STM32103 RCT6 為核心器件。STM32 系列芯片是基于ARM 的cortex-M3的內(nèi)核的微處理器，其端口資源豐富，軟件和硬件兼容性好，具有高性能、低成本、低功耗的特點。主控部分設計利用STM32的最小系統(tǒng)實現(xiàn)信號采集、信號處理、信號傳輸?shù)目刂?。STM32的最小系統(tǒng)如圖3所示，具體設計如下：

圖3 信號處理電路

(1) 供電系統(tǒng)：STM32 使用功耗較低的3．3V 供電。電路的電源管腳全部進行了濾波處理，數(shù)字地和模擬地進行區(qū)分，通過0歐電阻連接，提高了系統(tǒng)的抗干擾性。

(2) 復位電路：電路設置了手動復位電路，方便單機調(diào)試。

(3) 時鐘：選擇了8M 的外部高速晶振，通過芯片內(nèi)部9倍倍頻，系統(tǒng)時鐘可達72MHz，可以滿足快速采集角度信息的要求。

(4) BOOT 設置：用于選擇啟動模式，系統(tǒng)中BOOT0 和BOOT1通過10k電阻直接接地，系統(tǒng)可以通過J-Link仿真器進行下載程序。

(5) 下載電路：下載接口電路選擇了最簡單的SWD 的方式。只需要引出5個結(jié)點實現(xiàn)程序的下載調(diào)試：電源(3．3V)、地(GND)、復位(Reset)、兩個串行端口(SWCLK、SWDIO)。

3.2.2 角度采集電路

角度采集電路選用了AMS 公司的基于霍爾原理的磁編碼芯片AS5048A。該芯片的工作示意圖如圖4所示，圓柱形磁鋼放置在距離芯片0．5～2．5mm 的位置，且芯片和磁鋼盡量做到同軸。當磁鋼旋轉(zhuǎn)時，AS5048A 通過SPI 同步串行接口輸出0～360°范圍內(nèi)的絕對角度數(shù)據(jù)，單圈分辨率為214[6]。

圖4 芯片安裝示意圖

該編碼器共使用三個AS5048A 芯片，為了節(jié)約接口資源，采用了鏈路的方式連接，電路見圖5。三個AS5048A 通過一個SPI接口與微控制器進行通信，微控制器為AS5048A提供時鐘信號CLK和片選信號(CS1、CS2、CS3)，通過MISO依次完成三個角度信息的采集。另外，微控制器還可以通過片選，依次完成三個芯片的零位編程。

圖5 信號采集電路

AS5048A自身包含豐富的寄存器用于自我判斷[6]。在產(chǎn)品調(diào)試過程中，可以通過讀取x3FFD、x3FFE 兩個寄存器，判斷磁鐵強度是否滿足要求，磁鐵位置是否可以保證芯片正常工作。具體的判定標準見表1。

表1 AS5048A判定標準

3.2.3 通信接口電路

編碼器采用6線制串行同步信號SSI通信接口完成與控制系統(tǒng)的通信。兩組時鐘線和兩組數(shù)據(jù)線以及電源線與地線，時鐘線與數(shù)據(jù)線采用485 通信模式。接口電路選擇了MAX3485 RS-485收發(fā)器實現(xiàn)收發(fā)信號的轉(zhuǎn)換。電路如圖6 所示。電路中使用RE-DE 來控制數(shù)據(jù)DATA 的雙向傳輸。設計上拉電阻和下拉電阻用于提高RS485 節(jié)點和網(wǎng)絡的可靠性。

圖6 信號傳輸電路

3.3 軟件設計開發(fā)與實現(xiàn)

3.3.1 軟件設計

編碼器的軟件功能主要包括：系統(tǒng)初始化模塊、角度數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊，軟件流程框圖見圖7。

圖7 軟件流程圖

編碼器上電后，開始STM32 系統(tǒng)初始化，包括GPIO 口初始化、SPI接口初始化、中斷初始化、校驗碼初始化；在主程序內(nèi)，角度數(shù)據(jù)處理模塊通過SPI接口對三個AS5048A進行角度信息采集，并完成圈數(shù)、角度以及校驗碼信息的計算。通信模塊一直等待接受控制系統(tǒng)發(fā)出時鐘信號，在下降沿時進入中斷程序，按照協(xié)議發(fā)送圈數(shù)、角度以及校驗碼信息，從而完成一次通信。通信結(jié)束后繼續(xù)等待中斷，進入下一次信息發(fā)送。

3.3.2 軟件實現(xiàn)

(1) 零位算法實現(xiàn)

編碼器由多個磁編碼器芯片組成，主軸的圈數(shù)信息由圈數(shù)信息和角度信息組成，因此在編碼器工作之前需要對兩個編碼器芯片同時置零的處理，保證齒輪同步啟動。

AS5048A可以通過SPI接口直接設置零位，但是只可以進行一次置零。AS5048A 置零流程圖如圖8。在芯片零位設置流程中設置了相關的判斷。在對OTP寄存器進行校驗時，如果返回的值與OTP 寄存器的值不一致，程序?qū)⒎祷?。這種情況零位編程雖然失敗，但是AS5048A 還可以下次繼續(xù)置零。在進行Burn 燒寫位和Verify 核準位置位后，如果返回的角度值不為零，零位編程設置失敗，不能再次進行零位設置。由于系統(tǒng)噪聲的存在，在此環(huán)節(jié)讀取的角度不可能是絕對的零，而是在零附近的一個值。因此在判斷角度的時候，需設置一個合理的范圍進行判讀。

圖8 芯片置零流程圖

因為芯片只能置零一次，具有很大的局限性。遠遠滿足不了編碼器多次調(diào)試試驗的需求。因此，程序中設計了置零函數(shù)，此程序方便快捷的對多個芯片進行快速、多次置零處理。程序如下：其中para_angle[n]為第n個芯片設置的零位位置參數(shù)。

(2) 角度算法實現(xiàn)

在減速箱傳動比設計的時候，傳動比均設計為2的整數(shù)倍。在計算角度的信息的時候，算法就比較簡潔，避免了多重計算帶來的誤差累計。主軸與記角度軸之間的降速比為4，為2 的2 次方。采集角度值左移2 位為主軸360 度范圍內(nèi)的角度信息?？扇〉?2位精度的角度信息。主軸與記圈軸之間的降速比為128，為2的7次方。采集的角度信息通過右移(14-7)位，即是主軸的圈數(shù)信息。如果減速比不為2的整數(shù)倍，通過復雜的算法得出的角度和圈數(shù)會存在很大的誤差。由整數(shù)倍減速比設計的簡潔算法，不僅提高了程序執(zhí)行效率，并且避免了復雜算法帶來的誤差。

4 編碼器驗證

通過上述設計，多圈編碼器實現(xiàn)128 圈的角度測試，其輸出范圍為0 圈0 度到127 圈360 度。通過上位機對多圈編碼器進行單機靜態(tài)測試。測試出編碼器的圈數(shù)、角度信息如表2 所示。換算主軸的角度指標滿足要求。編碼器的靜態(tài)單機測試性能滿足要求。

表2 編碼單機測試數(shù)據(jù)

將編碼器裝配至伺服電機的尾部進行動態(tài)試驗，用于測試電機高速旋轉(zhuǎn)的角度。通過對多個編碼器產(chǎn)品進行動態(tài)試驗，在電機最高8000rpm 的轉(zhuǎn)動下測試編碼器的性能指標，產(chǎn)品的線性度可達為0．24～0．37%，對稱度的達0．017%～0．026%。并且已經(jīng)通過了高溫、低溫試驗的考核，可以很好的滿足機電伺服的測試需求。

5 結(jié)束語

本文主要針對目前機電伺服的測試需求，設計了多圈絕對式磁電編碼器。主要從滿足性能的角度出發(fā)，介紹了編碼器的減速箱的參數(shù)設計、電路設計、以及算法設計。通過單機的靜態(tài)測試和系統(tǒng)的動態(tài)測試，多圈編碼器的性能指標滿足機電伺服的測試需求。多圈編碼器的應用簡化了伺服系統(tǒng)的結(jié)構設計，同時提高了伺服系統(tǒng)的測量精度和速度。