伺服電機 傳感器：伺服電機位置傳感器通用接口電路[實用新型專利]
專利內(nèi)容由知識產(chǎn)權出版社提供
摘要：
本實用新型涉及通信接口電路，特別涉及一種伺服電機位置傳感器通用接口電路。本實用
新型提供一種伺服電機位置傳感器通用接口電路電路結構，通過采用JR15接口，并自定義該接口各個
引腳的作用，可在將對外端口（B+端口、B
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端口、A+端口、A
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端口、Z+端口、Z
?
端口）在電路板上
位置固定方式下，僅僅通過改變設置在JR15接口和處理電路之間的通信協(xié)議芯片實現(xiàn)控制電路采用不
同的通信協(xié)議，以適應不同的位置傳感器。本電路采用預留端口的電路板結構，可在生產(chǎn)時，先不安
裝具體通信協(xié)議芯片，而是在確定需要何種通信協(xié)議芯片后，將相應芯片插接或焊接在對外端口處，
即可將本接口電路變?yōu)橄鄳耐ㄐ沤涌凇?br/>申請人：
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![伺服電機 傳感器：伺服電機位置傳感器通用接口電路[實用新型專利] 第1張](http://www.cgq.bz/cgq/c6.jpg "伺服電機 傳感器：伺服電機位置傳感器通用接口電路[實用新型專利] 第1張-傳感器知識網(wǎng)")
伺服電機 傳感器：伺服電機都會用到什么傳感器？
一般來說，伺服電機的編碼器有兩種，絕對值編碼器和相對值編碼器。絕對值編碼器斷電可以保持，只要電池還有電，是不需要尋原點的；相對編碼器由于斷電后會丟失電機多圈數(shù)值，故需要尋原點操作。相對編碼器的伺服電機在尋原點的過程中需要有一個外部傳感器來配合動作，當外部傳感器檢測到尋原點位置塊后，伺服電機從尋原點高速切換到尋原點低速，當電機繼續(xù)運行到外部傳感器檢測下降沿后，伺服電機旋轉到編碼器z相輸出點即可。
需要著重強調(diào)的是1）原點精度不依賴于外部傳感器的精度，只要外部傳感器沒有被松動，伺服電機就應該非常精確的找到原點；2）伺服電機后面的編碼器如果固定牢固，z相脈沖點就是固定的，伺服尋原點也就非常精確；3）伺服電機尋原點的方式有很多種，需要依據(jù)現(xiàn)場設備來確定電機在各個過程中的運行方向；4）一般來說伺服電機尋原點的目的是將電機當前實際位置與控制器內(nèi)位置相匹配，故很多伺服電機尋原點最后停止位置不在0.0的位置，會有一點偏差，這點偏差不代表尋原點位置有誤差，而是因為電機實際位置已經(jīng)與控制器內(nèi)部位置匹配完成，沒有必要精確的走到原點。
![伺服電機 傳感器：伺服電機位置傳感器通用接口電路[實用新型專利] 第2張](http://www.cgq.bz/cgq/c5.jpg "伺服電機 傳感器：伺服電機位置傳感器通用接口電路[實用新型專利] 第2張-傳感器知識網(wǎng)")
伺服電機 傳感器：如何為伺服電機選擇傳感器
在許多電動機管理和控制應用中，由傳感器組件提供的轉子位置和/或速度的實時詳細信息，對于有效的閉環(huán)反饋以及對物鏡的精確性能至關重要。
當然，電動機的速度，位置和加速度是緊密相連的。因為速度是位置的導數(shù)（時間變化率），所以即使只知道其中一個因素，也可以確定所有三個因素。
然而，實際上，由于分辨率和噪聲，這種確定相關參數(shù)的方法通常（但并非總是）不足。例如，知道轉子已經(jīng)完成了另一次旋轉，就會告訴您所有三個變量，但是分辨率非常低，通常是不可接受的。根據(jù)應用的不同，所需的分辨率和精度可以從粗糙到中等到精確。CNC機床需要精確的轉子信息，汽車的電動窗控制器可以接受近似數(shù)據(jù)，而洗衣機或干衣機將僅滿足粗略的信息。
為了檢測轉子的位置或運動，最常見的選擇是解析器，光學或電容編碼器和霍爾效應設備，其精度，分辨率和成本大致按降序排列。這些傳感器在物理設計，實現(xiàn)和電氣接口方面有很大的不同，因此用戶必須了解所需的知識，給定應用中的最佳選擇以及如何將傳感器與控制器的電路接口。
增量編碼器（僅在需要相對位置或成本問題時使用）通常與交流感應電動機一起使用。相比之下，在伺服應用中，絕對編碼器（在每個位置提供不同的二進制輸出，因此絕對確定了軸位置）通常與永磁無刷電機配對。當然，應用程序是確定是否需要增量或絕對信息的主要因素。
盡管現(xiàn)在大多數(shù)電機控制都是通過數(shù)字控制回路完成的，但傳感器信號本身要么是全模擬信號，需要數(shù)字化，要么是數(shù)字信號，但電壓和其他屬性使其與標準數(shù)字電路不兼容。雖然某些反饋傳感器提供了“原始”輸出，可以根據(jù)需要進行定制，但許多反饋傳感器還提供了與標準I / O端口，格式和協(xié)議兼容的已調(diào)理，隨時可連接的輸出。
旋轉變壓器是極其精確，堅固，絕對的位置傳感器。它們基于基本的變壓器原理，具有一個初級繞組和兩個次級繞組，它們相對于彼此呈正交（90°）取向，如圖2所示。初級繞組和次級繞組之間的有效匝數(shù)比和極性取決于軸的角度。初級繞組被恒定頻率的參考AC波形激勵，其恒定頻率范圍為50/60 Hz至幾百kHz，并且次級繞組的輸出由于其物理位置而異相。二次繞組的峰值電壓將隨著軸的旋轉而變化，并且將與軸的角度成比例。通過使用主要信號作為參考對這些輸出進行解調(diào)。
圖2：旋轉變壓器使用一個初級繞組和一對正交的次級繞組來評估角度；它需要交流激勵和解調(diào)，但準確，堅固耐用，并在加電時提供絕對位置信息。
解析器不僅準確，而且堅固耐用。初級側和次級側之間沒有物理接觸，除了電動機本身以外，沒有單獨的電刷或軸承，沒有會導致零件磨損的摩擦點，并且沒有機會污染污染物（例如油）干擾操作。由于解析器的機械強度和性能，它們被廣泛用于極具挑戰(zhàn)性的情況下，例如軍用槍的角度測量。
但是，與替代方案相比，旋轉變壓器往往體積較大且成本較高，并且需要相對大量的功率，這在低功率應用中通常是不可接受的。它們也需要相對復雜的電路來生成和解調(diào)AC波形，盡管這對現(xiàn)代IC的阻礙要小得多。它們在“加電”時提供絕對位置指示，并且不需要任何運動來索引或確定初始角度。當然，此功能在某些情況下是“必須具備”的，而在其他情況下則是“無關緊要”的。
增量位置讀出中的光學編碼器，它使用光源（LED），兩個正交的光電傳感器以及它們之間的玻璃或塑料盤，如圖3所示。磁盤的中心有細微的蝕刻線，旋轉時，傳感器會看到明暗的圖案。
磁盤上的行數(shù)和其他一些技術決定了分辨率，通常是每轉1,024、2,048甚至高達4,096個計數(shù)。與類似變壓器的旋轉變壓器不同，在開發(fā)長壽命LED和高效光電傳感器之前，光學編碼器才是大眾市場的設備。
圖3：光學編碼器具有一個光源，正交光傳感器和一個插入的帶線盤；它體積小，功耗低，非常易于與電路接口，并可以提供出色的性能。
傳感器的物理布置使編碼器可以確定旋轉方向。一個基本電路將來自兩個傳感器的脈沖序列（稱為A / B輸出）轉換為一對指示運動和方向的位流，圖4。
圖4：光學編碼器的A / B正交和索引輸出與許多接口和運動控制處理器I / O端口兼容。
但是，編碼器是運動的增量指示符，而不是絕對的指示符。為了確定絕對位置，大多數(shù)編碼器增加了第三條光道和一個光電傳感器作為指示符“零參考光道”；軸必須足夠旋轉以通過零參考位置以發(fā)出信號。有幾種方法可以將真實的相對位置讀數(shù)添加到光學編碼器中，但是這些方法會增加設備的復雜性。
光學編碼器提供了很好的分辨率，但不像旋轉變壓器那么堅固。污垢會干擾光路，并且編碼器盤會變臟。但是，它們的性能對于許多應用來說已經(jīng)綽綽有余，而且體積小，重量輕，功耗低，易于接口且成本低。
典型的用于電機和旋轉應用的光學編碼器是Avago Technologies（Broadcom）的類似HEDS-9000和HEDS-9100兩通道模塊。這些高性能，低成本模塊包括封裝在小型C形塑料封裝中的帶透鏡的LED光源和檢測器IC，以及驅動器和接口電子設備，如圖5所示。它們具有高度準直的光源和特殊功能。光電探測器的物理布置，因此它們非常容忍安裝偏差。
圖5： Avago HEDS-9000和HEDS-9100兩通道模塊體積小，安裝靈活。插入的光盤需單獨訂購，并具有所需的每轉計數(shù)分辨率。
請注意，稱為碼盤的磁盤是單獨購買的，對于HEDS-9000，分辨率為500 CPR和1,000 CPR，對于HEDS-9100，分辨率為96 CPR和512 CPR。這些模塊提供兩個通道的TTL兼容的A和B數(shù)字輸出，并且需要一個5V單電源。
圖6： Avago HEDS-9000和HEDS-9100兩通道模塊體積小，安裝靈活。插入的光盤需單獨訂購，并具有所需的每轉計數(shù)分辨率。
如圖7所示，CUI AMT10系列說明了基于電容原理而非光學原理的光學編碼器的另一種選擇。這些編碼器提供了一系列堅固，高精度，模塊化的單元，有增量式和絕對式兩種，用戶可以通過四位DIP開關從16個值中選擇最高12位（4,096個計數(shù)）的分辨率。這些單元的CMOS兼容A / B正交輸出通過標準SPI接口報告。
圖7：從外部看，CUI AMT10電容式編碼器看起來像光學編碼器，但是其基本工作原理卻大不相同。
與光學編碼器不同，CUI AMT設備在編碼器的活動和非活動部分使用重復的蝕刻圖案導體。當編碼器旋轉時，兩個部分之間的相對電容會增加和減小，并且這種電容的變化會被感應到，有點類似于光學編碼器中光電晶體管的輸出。污垢和其他污染物在這里幾乎沒有有害作用。
請記住，解析器或編碼器也是具有安裝注意事項和電氣兼容性要求的機械設備。為了最大程度地減少庫存和庫存問題，CUI為AMT10系列提供了廣泛的襯套，蓋和安裝座，如圖8所示，因此相同的基本編碼器可用于各種直徑和安裝的軸。
圖8：實際上，編碼器必須解決各種各樣的軸和安裝情況。CUI提供了全套的顏色編碼套管和其他配件，因此單個編碼器可以滿足許多應用需求。
解析器和編碼器可以產(chǎn)生分辨率高達1/100度（0.6弧分）或更高的基本讀數(shù)，但精度與分辨率不同。無論設計是使用旋轉變壓器還是編碼器，都會由于溫度，變化跟蹤速度，不期望的相移和其他因素而產(chǎn)生誤差源。但是，這些單元的供應商已經(jīng)設計出了消除，消除或彌補許多這些缺點的方法，通常是通過在原始傳感器輸出和去往系統(tǒng)控制器的調(diào)節(jié)輸出之間使用基于IC的電路來實現(xiàn)的。
霍爾效應器件功能強大
還有另一種基于時間磨損原理的編碼或傳感器設備，但是這要求現(xiàn)代的半導體電子產(chǎn)品和封裝變得廣泛可承受，可用和有效。此外，現(xiàn)在可以在芯片上使用關鍵接口電路，該接口電路可以利用微小電壓并將其輕松連接到系統(tǒng)，從而進一步簡化了該技術的使用。霍爾效應設備可用于感測流經(jīng)傳感器一部分導體的電流，或附近磁場的存在與否。
我們所知的霍爾效應是由埃德溫·霍爾（Edwin Hall）在1879年發(fā)現(xiàn)的：電導體兩端產(chǎn)生的電位差-霍爾電壓，與導體中的電流成直角，垂直于電流的磁場成正比。
圖9：霍爾效應器件的原理涉及彼此正交的電流，電壓和磁場。
一些霍爾效應傳感器遠遠超出了僅合并傳感器元件本身的范圍。邁來芯（Melexis）MLX三軸位置傳感器是單片絕對傳感器IC，它對正交和平行于IC表面施加的磁通密度敏感。它對通量密度的三個分量很敏感，這使得MLX（具有正確的磁路）可以解碼任何移動磁體的絕對位置（例如0到360°的旋轉位置）。
這種內(nèi)部的12位分辨率設備包括帶有微控制器和DSP的片上信號處理，如圖10所示，因此它可以執(zhí)行所需的計算以及針對固有非線性的校正等，如圖11所示。它還支持廣泛的用戶可選范圍功能和特性，以及各種輸出格式，包括帶有內(nèi)置糾錯功能的高級格式，稱為SENT（SAE J2716-2010），已廣泛應用于汽車應用中。
圖10： Melexis MLX不僅僅是一個霍爾效應傳感器；它包括一個放大器，數(shù)字轉換器，處理器，固件。
圖11： MLX的處理能力通過糾正基本霍爾效應換能器線性中的一些可避免的誤差，使其顯著提高了性能。
大多數(shù)霍爾效應磁編碼器都使用一個附在電機軸上的輪子，該輪子在其周長周圍有一組磁化的北極和南極。它與光學編碼器開槽輪的磁性相似。砂輪通常由嵌入極柱的注塑鐵氧體制成。典型的車輪被磁化為32極（北16和南16），因此分辨率遠低于光學編碼器或旋轉變壓器，但在許多情況下通常已經(jīng)足夠。一個典型的裝置具有三個霍爾效應傳感器，它們在電氣上隔開120°，以感應車輪的換向。
![伺服電機 傳感器：伺服電機位置傳感器通用接口電路[實用新型專利] 第3張](http://www.cgq.bz/cgq/c3.jpg "伺服電機 傳感器：伺服電機位置傳感器通用接口電路[實用新型專利] 第3張-傳感器知識網(wǎng)")
伺服電機 傳感器：驅動和傳感器說明-伺服電機
驅動和傳感器說明-伺服電機
說明
伺服電機（圖 1）是一種驅動軸可旋轉到指定角度且可保持在此角度的驅動部件，伺服電機不能像直流電機能連續(xù)旋轉，其旋轉角度為-180°~ +179°。
伺服電機可用于控制機械手臂、仿生類機器人（昆蟲、動物）、類人機器人或其它完成特定動作的機械結構，通常情況下需要多個伺服電機配合使用。
在驅動伺服電機時，可直接設置其目標角度，或使用高級模塊使其平滑轉動。伺服電機在仿真開始時總是處于0°的角度。
伺服電機有2種安裝點，方形安裝點用于安裝，圓形安裝點為驅動軸。驅動伺服電機時，其圓形安裝點上安裝的部件可轉動。
相關編程模塊
與伺服電機相關的編程模塊有“驅動”類中的“伺服電機驅動”、“多伺服電機驅動”、“多伺服步進驅動”、“多伺服總時間驅動”4個模塊，如圖 2所示。
“伺服電機驅動”是基本驅動模塊，將單個伺服電機從當前角度直接驅動到目標角度。此模塊有2個容器，左容器放置表示伺服電機端口號的模塊，可放置“機器人端口”、“常量int”、“變量int”等。右容器放置表示伺服電機角度值的模塊，可放置“常量int”、“變量int”等。
“多伺服電機驅動”是基本驅動模塊，將一個或多個伺服電機從當前角度直接驅動到目標角度。此模塊沒有容器，在屬性面板中列出了機器人所有的伺服電機，選擇需要驅動的伺服電機，并輸入其目標角度。
“多伺服步進驅動”是高級驅動模塊，將一個或多個伺服電機從當前角度，按照指定的步進角度，以指定的間隔時間驅動到目標角度。此模塊沒有容器，在屬性面板中設置其驅動參數(shù)，“步進量（角度）”設置所有選擇的伺服電機每次改變的角度差值，“間隔時間（毫秒）”設置兩次步進之間的等待時間，“伺服電機列表”中選擇需要驅動的伺服電機，“值”輸入目標角度，不選擇的伺服電機不被驅動。此模塊為堵塞執(zhí)行1，執(zhí)行時間約為：
執(zhí)行時間=（最大角度差 ÷ 步進量） × 間隔時間
此模塊驅動時，同時驅動所有選擇的伺服電機，直到所有伺服電到達目標角度。角度差較小的伺服電機先達到目標角度，并保持不動，等待角度差較大伺服電機到達目標角度。
“多伺服總時間驅動”是高級驅動模塊，將一個或多個伺服電機從當前角度在指定時間內(nèi)自動勻速驅動到目標角度。在屬性面板中設置其驅動參數(shù)，“驅動總時間（毫秒）”設置驅動的總時間，“伺服電機列表”中選擇需要驅動的伺服電機，“值”輸入目標角度，不選擇的伺服電機不被驅動。此模塊會自動計算每次驅動時，每個伺服電機的步進量和間隔時間。一般情況下，多個不同差值的伺服電機驅動時，差值較大伺服電機旋轉較快，差值較小的伺服電機旋轉較慢，整體效果為同時到達目標角度。此模塊為堵塞執(zhí)行，執(zhí)行時間為“驅動總時間”的設定時間。
當前角度：伺服電機在執(zhí)行某種驅動之前時的角度，進入仿真后，所有伺服電機的“當前角度”為0°。
目標角度：伺服電機要旋轉到的角度（范圍-180° ~ +179°）。設置的目標角度小于-180°時，伺服電機旋轉到-180°時不再旋轉，大于179°時，轉到179°不再旋轉。
角度差：當前角度與目標角度的差值。
堵塞執(zhí)行：模塊的執(zhí)行需要較長的時間，控制程序將等待其完成預定功能后才繼續(xù)執(zhí)行下面的模塊。
1關于“堵塞執(zhí)行”見“相關術語”中的解釋
實例
此實例用不同的方式驅動機器人上安裝的3個伺服電機，了解如何驅動伺服電機及不同驅動方式之間的差異。
仿真時，先使用“多伺服電機驅動”的方式將3個伺服電機直接驅動到30、60、90度，接著用“多伺服步進驅動”的方式將它們驅動到0、0、0度，再用同樣的方式驅動到30、60、90度，最后用“多伺服總時間驅動”的方式將它們驅動30、60、90度。
機器人——“機器人-實例-伺服電機”。
控制程序——“程序-實例-伺服電機”。
機器人
“機器人-實例-伺服電機”的機器人如圖 3所示，安裝方式可下載機器人文件后導入到仿真軟件，在機器人編輯器中查看。
控制程序
“程序-實例-伺服電機”的流程和設置見圖 4。
仿真視頻
