以极高的精度跟踪旋转

电器工程 传感器 发动机 磁学 编码器
2022-01-11 05:12:16

我想跟踪一个相当慢的电动旋转臂(直接驱动;见下图)的角度位置——但需要低于 0.05° 的角度精度和类似的分辨率。

正如@gbulmer 在评论中指出的那样,这相当于沿着圆周定位跟踪手臂的尖端,精度为 (2×π×10cm)/(360˚/0.05) = 0.08 mm。

绘画

目前是否有任何可实现的传感器或电子方法可以在不花大钱的情况下达到这种旋转传感精度水平?


这是我迄今为止尝试过的,从简单到复杂:

  • 数字罗盘/磁力计:我从这个开始;但显然与我正在寻找的性能相去甚远。

  • 旋转编码:基于电位计/基于霍尔效应传感器的编码:无法获得足够的分辨率并且存在明显的线性误差。

  • 机器视觉:尝试在手臂的尖端放置一个光学标记(因为尖端追踪最长的弧线)并使用相机(OpenCV)来跟踪标记的位置:考虑到手臂的旋转跨度,无法很好地解决非常微小的旋转10x10 厘米的区域。

  • 磁性编码器:我目前正在研究使用 AMS 的磁性旋转编码器 AS5048,将传感器的中心定位在电机的轴位置。像这样的东西:

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4个回答

您正在做的事情是可能的,但我不知道您将如何便宜地做到这一点。

0.05 度(3 弧分)意味着 7200 计数/转的分辨率,或相当于 13 位 (8192)。更糟糕的是,由于您正在尝试创建位置循环,因此您至少需要一个额外的分辨率或 14 位系统。问题在于您的位置环无法检测到小于一位的错误,因此如果手臂开始漂移,角度传感器将不会检测到它,直到输出关闭一位。位置环会将手臂向后驱动,并在误差降至零时停止驱动。但这会让手臂向另一个方向摆动,直到它得到相反方向的计数,等等。因此,例如,如果您希望手臂保持传感器计数为 100,系统很可能会产生 100、101、100 , 99, 100 等

我建议您最好选择光学编码器,但 14 位 (16,384 ppr) 编码器并不便宜。另一种可能性是旋转变压器或同步器,第二个可能性是使用 RDC 或 SDC(旋转变压器/数字转换器或同步器/数字转换器),但这将花费更多。同步器/解析器有两个缺点。首先,它们通常已被光学编码器所取代,因此您在市场上发现的大多是多余的单元。其次,准确性通常不够。23 号旋转变压器的额定值通常约为 5-10 分弧,因此您需要一个高精度装置,并祝您好运。

Inductosyns 将为您提供卓越的分辨率和精度,但成本甚至比光学编码器还要高。本质上,您需要一个高速 RDC 来读取输出。

您对光学编码器精度的担忧是基于特定制造商的论文,但这本质上是一件令人恐惧的事情。对于每个制造商来说,出错的可能性都是相同的,并且链接的制造商并不比其他制造商更好。通常,对于精密编码器,精度与分辨率相同。

虽然可以获得具有并行输出的光学编码器,但您最好使用增量编码器并滚动您自己的向上/向下计数器。如果您确实走这条路,您将在每次打开系统时使用“home”信号来重置位置计数器。

我认为OP的建议根本不是一个坏主意。他想要使用的是现成的环:http ://ams.com/eng/Products/Position-Sensors/Magnets/AS5000-MR10-128 ,它有 128 极 = 64 极对。分辨率为 16 位 = 65536,最大 305 rpm。
如果你拆开一个高分辨率的光学编码器,你会发现没有特殊工具几乎不可能对准探测器,实际上使用这种新方法使这变得非常简单。
您需要一台车床来正确安装环,然后将传感器放置在近距离,无需特殊对齐。传感器本身带有已焊接在分线板上的套件版本,您需要一个额外的参考传感器 - 与光电探测器的间隙,然后您可以在一对极对内参考编码器,并结合索引输出 + 外部参考传感器。

既然这是一个集思广益的问题,而且 WhatRoughBeast 已经提到了我会考虑的所有内容,为什么不将谐波驱动器添加到列表中呢?理论上(我没有根据经验估计或第一次计算进行检查),它可以让您轻松获得 20:1 的传动比而没有任何反弹(100:1 很常见),从而将所需的步数降低到 720/rev . 可能是值得一看的东西。谐波驱动器并不便宜,但它们通常比高分辨率传感器便宜得多,尤其是在这种传动比方面。

如果您需要对应于 13 位的输出轴分辨率,则需要更多的额外位,至少 1 位用于闭环控制是必须的。下一个问题是制造商宣传分辨率而不宣传准确性你需要不断地要求准确性。如果错误是可重复的,您可以使用软件更正进行改进。

如果您需要重型户外解决方案,则是另一个问题。如果是,则可以选择磁性编码器。但是磁性编码器可能有明显的可重复周期误差,您需要在校准过程中使用另一个光学扩展编码器来消除这些误差。但是你需要一个夹具使宽度更高精度。

Sin/cos 插值(光学或磁性)提高了分辨率,但也增加了一些随机误差。

您必须能够以所需的精度进行制造,特别是同心度。您还需要考虑带宽,因为当您提高分辨率时,更快的移动可能会超过允许的带宽(例如正交输出的频率)。相反,超慢动作控制是一门可以发现有趣的未发表问题的学科。

如果您需要控制臂旋转(不仅是轨道位置),那么直接驱动和扭矩的分辨率就是问题所在。双回路有助于控制,但需要电机(齿轮箱的编码器或步进器的计数步数)和轴位置感应。

增量编码器与绝对编码器也是基本决定。

一般建议是:如果您想完成项目,请使用价格昂贵的专业组件(例如 Renishaw ATOM 光学编码器)。如果您是为了娱乐而玩,时间并不重要,那么您可以享受重新发明问题(死胡同),发现无法通过谷歌搜索的问题等。仔细检查您是否可以制造具有所需精度的设备。