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伺服電機(jī) 傳感器：伺服電機(jī)位置傳感器通用接口電路[實(shí)用新型專利]

專利內(nèi)容由知識產(chǎn)權(quán)出版社提供
摘要：
本實(shí)用新型涉及通信接口電路，特別涉及一種伺服電機(jī)位置傳感器通用接口電路。本實(shí)用
新型提供一種伺服電機(jī)位置傳感器通用接口電路電路結(jié)構(gòu)，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
?
端口、A+端口、A
?
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(shè)置在JR15接口和處理電路之間的通信協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)控制電路采用不
同的通信協(xié)議，以適應(yīng)不同的位置傳感器。本電路采用預(yù)留端口的電路板結(jié)構(gòu)，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(yīng)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?yīng)的通信接口。
申請人：
四川埃姆克伺服科技有限公司
地址：
四川省成都市雙流區(qū)西航港牧魚二路588號
國籍：
CN
代理機(jī)構(gòu)：
四川力久律師事務(wù)所
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伺服電機(jī) 傳感器：伺服電機(jī)都會用到什么傳感器？

一般來說，伺服電機(jī)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(diǎn)的；相對編碼器由于斷電后會丟失電機(jī)多圈數(shù)值，故需要尋原點(diǎn)操作。相對編碼器的伺服電機(jī)在尋原點(diǎn)的過程中需要有一個外部傳感器來配合動作，當(dāng)外部傳感器檢測到尋原點(diǎn)位置塊后，伺服電機(jī)從尋原點(diǎn)高速切換到尋原點(diǎn)低速，當(dāng)電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行到外部傳感器檢測下降沿后，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)到編碼器z相輸出點(diǎn)即可。
需要著重強(qiáng)調(diào)的是1）原點(diǎn)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(jī)就應(yīng)該非常精確的找到原點(diǎn)；2）伺服電機(jī)后面的編碼器如果固定牢固，z相脈沖點(diǎn)就是固定的，伺服尋原點(diǎn)也就非常精確；3）伺服電機(jī)尋原點(diǎn)的方式有很多種，需要依據(jù)現(xiàn)場設(shè)備來確定電機(jī)在各個過程中的運(yùn)行方向；4）一般來說伺服電機(jī)尋原點(diǎn)的目的是將電機(jī)當(dāng)前實(shí)際位置與控制器內(nèi)位置相匹配，故很多伺服電機(jī)尋原點(diǎn)最后停止位置不在0.0的位置，會有一點(diǎn)偏差，這點(diǎn)偏差不代表尋原點(diǎn)位置有誤差，而是因?yàn)殡姍C(jī)實(shí)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(diǎn)。

伺服電機(jī) 傳感器：如何為伺服電機(jī)選擇傳感器

在許多電動機(jī)管理和控制應(yīng)用中，由傳感器組件提供的轉(zhuǎn)子位置和/或速度的實(shí)時詳細(xì)信息，對于有效的閉環(huán)反饋以及對物鏡的精確性能至關(guān)重要。

當(dāng)然，電動機(jī)的速度，位置和加速度是緊密相連的。因?yàn)樗俣仁俏恢玫膶?dǎo)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(shí)際上，由于分辨率和噪聲，這種確定相關(guān)參數(shù)的方法通常（但并非總是）不足。例如，知道轉(zhuǎn)子已經(jīng)完成了另一次旋轉(zhuǎn)，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(yīng)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(jī)床需要精確的轉(zhuǎn)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(jī)或干衣機(jī)將僅滿足粗略的信息。

為了檢測轉(zhuǎn)子的位置或運(yùn)動，最常見的選擇是解析器，光學(xué)或電容編碼器和霍爾效應(yīng)設(shè)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(shè)計(jì)，實(shí)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(yīng)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(yīng)電動機(jī)一起使用。相比之下，在伺服應(yīng)用中，絕對編碼器（在每個位置提供不同的二進(jìn)制輸出，因此絕對確定了軸位置）通常與永磁無刷電機(jī)配對。當(dāng)然，應(yīng)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行定制，但許多反饋傳感器還提供了與標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)變壓器是極其精確，堅(jiān)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(zhuǎn)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(jìn)行解調(diào)。

圖2：旋轉(zhuǎn)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(zhǔn)確，堅(jiān)固耐用，并在加電時提供絕對位置信息。

解析器不僅準(zhǔn)確，而且堅(jiān)固耐用。初級側(cè)和次級側(cè)之間沒有物理接觸，除了電動機(jī)本身以外，沒有單獨(dú)的電刷或軸承，沒有會導(dǎo)致零件磨損的摩擦點(diǎn)，并且沒有機(jī)會污染污染物（例如油）干擾操作。由于解析器的機(jī)械強(qiáng)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(zhuǎn)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(yīng)用中通常是不可接受的。它們也需要相對復(fù)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(yùn)動來索引或確定初始角度。當(dāng)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(guān)緊要”的。

增量位置讀出中的光學(xué)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(xì)微的蝕刻線，旋轉(zhuǎn)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(shù)決定了分辨率，通常是每轉(zhuǎn)1,024、2,048甚至高達(dá)4,096個計(jì)數(shù)。與類似變壓器的旋轉(zhuǎn)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(xué)編碼器才是大眾市場的設(shè)備。

圖3：光學(xué)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為一對指示運(yùn)動和方向的位流，圖4。

圖4：光學(xué)編碼器的A / B正交和索引輸出與許多接口和運(yùn)動控制處理器I / O端口兼容。

但是，編碼器是運(yùn)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(zhuǎn)以通過零參考位置以發(fā)出信號。有幾種方法可以將真實(shí)的相對位置讀數(shù)添加到光學(xué)編碼器中，但是這些方法會增加設(shè)備的復(fù)雜性。

光學(xué)編碼器提供了很好的分辨率，但不像旋轉(zhuǎn)變壓器那么堅(jiān)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(yīng)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(jī)和旋轉(zhuǎn)應(yīng)用的光學(xué)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(qū)動器和接口電子設(shè)備，如圖5所示。它們具有高度準(zhǔn)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(dú)訂購，并具有所需的每轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)分辨率。

請注意，稱為碼盤的磁盤是單獨(dú)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(dú)訂購，并具有所需的每轉(zhuǎn)計(jì)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(xué)原理的光學(xué)編碼器的另一種選擇。這些編碼器提供了一系列堅(jiān)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(guān)從16個值中選擇最高12位（4,096個計(jì)數(shù)）的分辨率。這些單元的CMOS兼容A / B正交輸出通過標(biāo)準(zhǔn)SPI接口報(bào)告。

圖7：從外部看，CUI AMT10電容式編碼器看起來像光學(xué)編碼器，但是其基本工作原理卻大不相同。

與光學(xué)編碼器不同，CUI AMT設(shè)備在編碼器的活動和非活動部分使用重復(fù)的蝕刻圖案導(dǎo)體。當(dāng)編碼器旋轉(zhuǎn)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(yīng)到，有點(diǎn)類似于光學(xué)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(xiàng)和電氣兼容性要求的機(jī)械設(shè)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(shí)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(yīng)用需求。

解析器和編碼器可以產(chǎn)生分辨率高達(dá)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(shè)計(jì)是使用旋轉(zhuǎn)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(yīng)商已經(jīng)設(shè)計(jì)出了消除，消除或彌補(bǔ)許多這些缺點(diǎn)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(shí)現(xiàn)的。

霍爾效應(yīng)器件功能強(qiáng)大

還有另一種基于時間磨損原理的編碼或傳感器設(shè)備，但是這要求現(xiàn)代的半導(dǎo)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(guān)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(jìn)一步簡化了該技術(shù)的使用。霍爾效應(yīng)設(shè)備可用于感測流經(jīng)傳感器一部分導(dǎo)體的電流，或附近磁場的存在與否。

我們所知的霍爾效應(yīng)是由埃德溫·霍爾（Edwin Hall）在1879年發(fā)現(xiàn)的：電導(dǎo)體兩端產(chǎn)生的電位差-霍爾電壓，與導(dǎo)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(yīng)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(yīng)傳感器遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhuǎn)位置）。

這種內(nèi)部的12位分辨率設(shè)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(jì)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(yīng)用于汽車應(yīng)用中。

圖10： Melexis MLX不僅僅是一個霍爾效應(yīng)傳感器；它包括一個放大器，數(shù)字轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)磁編碼器都使用一個附在電機(jī)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(xué)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(yuǎn)低于光學(xué)編碼器或旋轉(zhuǎn)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(yīng)傳感器，它們在電氣上隔開120°，以感應(yīng)車輪的換向。

伺服電機(jī) 傳感器：驅(qū)動和傳感器說明-伺服電機(jī)

驅(qū)動和傳感器說明-伺服電機(jī)

說明

伺服電機(jī)（圖 1）是一種驅(qū)動軸可旋轉(zhuǎn)到指定角度且可保持在此角度的驅(qū)動部件，伺服電機(jī)不能像直流電機(jī)能連續(xù)旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度為-180°~ +179°。

伺服電機(jī)可用于控制機(jī)械手臂、仿生類機(jī)器人（昆蟲、動物）、類人機(jī)器人或其它完成特定動作的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通常情況下需要多個伺服電機(jī)配合使用。

在驅(qū)動伺服電機(jī)時，可直接設(shè)置其目標(biāo)角度，或使用高級模塊使其平滑轉(zhuǎn)動。伺服電機(jī)在仿真開始時總是處于0°的角度。

伺服電機(jī)有2種安裝點(diǎn)，方形安裝點(diǎn)用于安裝，圓形安裝點(diǎn)為驅(qū)動軸。驅(qū)動伺服電機(jī)時，其圓形安裝點(diǎn)上安裝的部件可轉(zhuǎn)動。

相關(guān)編程模塊

與伺服電機(jī)相關(guān)的編程模塊有“驅(qū)動”類中的“伺服電機(jī)驅(qū)動”、“多伺服電機(jī)驅(qū)動”、“多伺服步進(jìn)驅(qū)動”、“多伺服總時間驅(qū)動”4個模塊，如圖 2所示。

“伺服電機(jī)驅(qū)動”是基本驅(qū)動模塊，將單個伺服電機(jī)從當(dāng)前角度直接驅(qū)動到目標(biāo)角度。此模塊有2個容器，左容器放置表示伺服電機(jī)端口號的模塊，可放置“機(jī)器人端口”、“常量int”、“變量int”等。右容器放置表示伺服電機(jī)角度值的模塊，可放置“常量int”、“變量int”等。

“多伺服電機(jī)驅(qū)動”是基本驅(qū)動模塊，將一個或多個伺服電機(jī)從當(dāng)前角度直接驅(qū)動到目標(biāo)角度。此模塊沒有容器，在屬性面板中列出了機(jī)器人所有的伺服電機(jī)，選擇需要驅(qū)動的伺服電機(jī)，并輸入其目標(biāo)角度。

“多伺服步進(jìn)驅(qū)動”是高級驅(qū)動模塊，將一個或多個伺服電機(jī)從當(dāng)前角度，按照指定的步進(jìn)角度，以指定的間隔時間驅(qū)動到目標(biāo)角度。此模塊沒有容器，在屬性面板中設(shè)置其驅(qū)動參數(shù)，“步進(jìn)量（角度）”設(shè)置所有選擇的伺服電機(jī)每次改變的角度差值，“間隔時間（毫秒）”設(shè)置兩次步進(jìn)之間的等待時間，“伺服電機(jī)列表”中選擇需要驅(qū)動的伺服電機(jī)，“值”輸入目標(biāo)角度，不選擇的伺服電機(jī)不被驅(qū)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(jìn)量） × 間隔時間

此模塊驅(qū)動時，同時驅(qū)動所有選擇的伺服電機(jī)，直到所有伺服電到達(dá)目標(biāo)角度。角度差較小的伺服電機(jī)先達(dá)到目標(biāo)角度，并保持不動，等待角度差較大伺服電機(jī)到達(dá)目標(biāo)角度。

“多伺服總時間驅(qū)動”是高級驅(qū)動模塊，將一個或多個伺服電機(jī)從當(dāng)前角度在指定時間內(nèi)自動勻速驅(qū)動到目標(biāo)角度。在屬性面板中設(shè)置其驅(qū)動參數(shù)，“驅(qū)動總時間（毫秒）”設(shè)置驅(qū)動的總時間，“伺服電機(jī)列表”中選擇需要驅(qū)動的伺服電機(jī)，“值”輸入目標(biāo)角度，不選擇的伺服電機(jī)不被驅(qū)動。此模塊會自動計(jì)算每次驅(qū)動時，每個伺服電機(jī)的步進(jìn)量和間隔時間。一般情況下，多個不同差值的伺服電機(jī)驅(qū)動時，差值較大伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)較快，差值較小的伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)較慢，整體效果為同時到達(dá)目標(biāo)角度。此模塊為堵塞執(zhí)行，執(zhí)行時間為“驅(qū)動總時間”的設(shè)定時間。

當(dāng)前角度：伺服電機(jī)在執(zhí)行某種驅(qū)動之前時的角度，進(jìn)入仿真后，所有伺服電機(jī)的“當(dāng)前角度”為0°。

目標(biāo)角度：伺服電機(jī)要旋轉(zhuǎn)到的角度（范圍-180° ~ +179°）。設(shè)置的目標(biāo)角度小于-180°時，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)到-180°時不再旋轉(zhuǎn)，大于179°時，轉(zhuǎn)到179°不再旋轉(zhuǎn)。

角度差：當(dāng)前角度與目標(biāo)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?qū)⒌却渫瓿深A(yù)定功能后才繼續(xù)執(zhí)行下面的模塊。

1關(guān)于“堵塞執(zhí)行”見“相關(guān)術(shù)語”中的解釋
實(shí)例

此實(shí)例用不同的方式驅(qū)動機(jī)器人上安裝的3個伺服電機(jī)，了解如何驅(qū)動伺服電機(jī)及不同驅(qū)動方式之間的差異。

仿真時，先使用“多伺服電機(jī)驅(qū)動”的方式將3個伺服電機(jī)直接驅(qū)動到30、60、90度，接著用“多伺服步進(jìn)驅(qū)動”的方式將它們驅(qū)動到0、0、0度，再用同樣的方式驅(qū)動到30、60、90度，最后用“多伺服總時間驅(qū)動”的方式將它們驅(qū)動30、60、90度。

機(jī)器人——“機(jī)器人-實(shí)例-伺服電機(jī)”。

控制程序——“程序-實(shí)例-伺服電機(jī)”。
 機(jī)器人

“機(jī)器人-實(shí)例-伺服電機(jī)”的機(jī)器人如圖 3所示，安裝方式可下載機(jī)器人文件后導(dǎo)入到仿真軟件，在機(jī)器人編輯器中查看。

控制程序

“程序-實(shí)例-伺服電機(jī)”的流程和設(shè)置見圖 4。

仿真視頻