一种新型电机关节位置传感器的研究.pdfVIP

一种新型电机--关节位置传感器的研究 随着机器人技术的发展，需要有更小更轻的机器人工作在诸如太空等特殊环 境，这对机器人关节的检测反馈系统提出了更高的要求。然而普通工业机器人关 节通常装备的位置传感器体积大、集成度低，很难满足要求。为了满足位置传感 器体积小、集成度高的要求，可以利用磁钢霍尔元件体积小、重量轻、非接触、 可检测绝对位置的特点，将其用于关节位置和电机位置测量。但是由于受尺寸限 制，霍尔传感器芯片只能检测处于回转中心磁钢的磁场强度，如图l，限制了磁 钢霍尔传感器的使用范围。 图1 磁钢霍尔原理图 我们需要研制基于磁钢霍尔元件的高集成度的位置传感器，使得分别和电机、 关节转动同步的磁钢布置在具有平行轴线的同一平面上，电机一关节位置传感器 检测单元得以集成在一个位置传感器电路板上。 1、霍尔传感器 1.1 霍尔传感器原理 1879 年霍尔(Hall)在研究电流通过有磁场垂直其平面的长方形金属片所发生 的现象时，发现了在金属片的侧面产生了微弱的电位差。这种物理现象被人们称 为霍尔效应。20 世纪50 年代后半期，对化合物半导体的研究，导致了对高迁移 率的新型半导体材料的开发，这一进步促进了霍尔器件的研究、开发和应用。目 −9 前霍尔器件检测磁场的极限为10 。 可以知道，霍尔元件的输出电压为： = / …………（1） = 1/() …………（2 ） 式中： 为霍尔电压； 为霍尔系数； 为控制电流；B 为磁感应强度；d 为霍尔片厚度；n 为载流子浓度；e 为电子当量。 由式(1)可看出， 与 、 和B 成正比，与d 成反比。在这里我们选取特 定霍尔器件，可以认为 和d 是霍尔器件的固有特性，为定值； 由霍尔器件 提供，也是一个定值；所以，霍尔元件的输出电压 仅和磁感应强度 B 有关， 随磁感应强度的变化而线性变化。可以用作检测磁感应强度的传感器。 1.2 霍尔芯片及处理电路 与霍尔传感器配合产生磁感应强度的是磁钢。磁钢是一个圆柱体，直径 1.5 mm 。厚度0.5mm，N 、S 极如图l 。当磁钢在霍尔芯片上方旋转，磁感应强度B 会随着旋转发生周期性变化，霍尔输出电压 也因此发生周期变化。 利用霍尔元件这一特点，采用2D—VH—11 芯片作为角度传感器。2D—VH ° —11 芯片具有两组霍尔传感器，垂直布置。最大角度误差小于1 。当磁钢旋转时， ° 芯片会感应出两组信号 和 ，两个信号相位差90 。这两个信号求反正切，即 −1 ⁄ 可得磁钢对应角度。即 =tan （ ）。利用这一原理，设计了电--关节位 置传感器电路。原理如图2 。 图2 中，霍尔芯片输出4 个模拟信号，经过IN-A337 差模放大、RC 滤波， ° 成为具有相位差90 的一对模拟信号。通过A/D 转换成数字信号传送到