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假如我來做一個(gè)單對(duì)磁極17位磁編
2018/8/1 13:30:06 標(biāo)簽:中國傳動(dòng)網(wǎng)
之前講到了單對(duì)磁極的17位的磁編是個(gè)大坑,引起了圈內(nèi)人群的關(guān)注與議論,有網(wǎng)友的意見是沒講明白磁編,也有網(wǎng)友對(duì)沒講透磁編就說17位磁編是個(gè)坑,下的結(jié)論似乎沒道理。這樣一個(gè)17位磁編成了繞不過去的話題,今天就以本人對(duì)磁編的實(shí)踐與理解來講解這兩年來的熱點(diǎn)——17位磁編。
一、磁編的原理與產(chǎn)生
磁感應(yīng)傳感器很早就有出現(xiàn)了,霍爾感應(yīng)的和磁阻感應(yīng)的,但真正作為商品磁感應(yīng)編碼器,大約出現(xiàn)在2005年至2006年初.當(dāng)時(shí)奧地利微電子推出了AS5040系列磁感應(yīng)芯片(AS5040,AS5043,AS5045等)。我在2006年底開始測(cè)試試驗(yàn)AS5043芯片,在2007年開發(fā)AS5045磁編的應(yīng)用。其中AS5045輸出12位串行信號(hào),或者256脈沖的AB相信號(hào),給與編碼器廠家極大的制作磁編方便性,簡單的電源配置加機(jī)械轉(zhuǎn)軸和外殼,即可快速生產(chǎn)出磁感應(yīng)編碼器,而早期的磁編芯片,僅僅是為替換電位器而設(shè)計(jì)的。
AS5045(包括AS5040,AS5043)很快成為了一款賣了十多年的經(jīng)典磁編芯片,一個(gè)小扁圓體的橫向NS磁極的磁鐵,產(chǎn)生一個(gè)看不見卻物理存在的磁場(chǎng),如果有鐵粉撒在下面,你可以看到磁力線及磁場(chǎng)強(qiáng)度弱或強(qiáng)。AS5045設(shè)計(jì)了四個(gè)正交的霍爾傳感器,這四個(gè)霍爾傳感器代替了鐵粉來感應(yīng)小磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度的強(qiáng)弱變化,好比這樣的磁場(chǎng)類似于是一張磁場(chǎng)地圖,每一個(gè)位置感應(yīng)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度都是唯一的,在磁編芯片內(nèi)已經(jīng)與設(shè)計(jì)的飽和磁場(chǎng)做了圖形預(yù)設(shè),在測(cè)量中與設(shè)計(jì)磁場(chǎng)地圖做比對(duì),即可快速獲得在地圖上的位置。
霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛侖茲力作用引起的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子(電子或空穴)被約束在固體材料中,這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的聚積,從而形成附加的橫向電場(chǎng)。檢測(cè)這種橫向電壓差的變化的器件,稱為霍爾傳感器。
AS5045內(nèi)部有四個(gè)正交的霍爾傳感器
在2007年,RLS公司推出了另一款經(jīng)典磁編AM8192磁編芯片,信號(hào)輸出達(dá)到了13位。RLS公司后被雷尼紹收購,雷尼紹敏銳的發(fā)覺單磁極磁編做到13位似乎已是頂峰了,轉(zhuǎn)而發(fā)展多磁極(多磁場(chǎng))方向,并在幾年后發(fā)展了大孔徑絕對(duì)值磁編,可用于機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)的全閉環(huán)測(cè)量。
同時(shí),另一種磁感應(yīng)原理也沒有停步——磁阻原理。
磁阻的原理在于某些半導(dǎo)體材料對(duì)于磁場(chǎng)強(qiáng)度的敏感性,引起其阻抗值的變化,通過飽和磁場(chǎng)與惠斯通電橋的預(yù)先平衡,當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生改變,電橋平衡改變,而檢測(cè)出磁場(chǎng)的變化。磁阻傳感器最初是背磁式感應(yīng)原理獲得突破,并在增量式齒輪傳感編碼器上獲得成功。在磁阻感應(yīng)芯片的背后加入一個(gè)較強(qiáng)的磁體,穿透磁阻感應(yīng)芯片,給前方產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng),芯片處于飽和磁場(chǎng)中央。當(dāng)前方有鐵磁性材料出現(xiàn),影響了芯片內(nèi)原有磁場(chǎng)分布,磁阻敏感地發(fā)生阻抗變化,并被電橋檢測(cè)出來。
GMR
磁阻的敏感度比霍爾感應(yīng)更快更敏感,其響應(yīng)速度優(yōu)于霍爾感應(yīng),適合于高速的旋轉(zhuǎn)齒輪測(cè)量,經(jīng)過芯片波形整定輸出正余弦信號(hào),再可細(xì)分成更高分辨率的方波脈沖信號(hào),目前這種背磁式磁編有多家磁編芯片廠家提供,用于高速電主軸的轉(zhuǎn)速測(cè)量,最高測(cè)量轉(zhuǎn)速已可達(dá)40000RPM。
在單對(duì)圓形NS磁極的上方感應(yīng)型,與經(jīng)典的霍爾感應(yīng)原理(AS5045)相似的安裝方式方面,磁阻廠家也不甘寂寞,霍尼韋爾、英飛凌、安華高等也都推出了相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品。例如,2011年英飛凌的TLE5012,12位或15位的信號(hào)輸出。
因?yàn)榇抛韪袘?yīng)的靈敏度比霍爾式的高,響應(yīng)也快,磁阻傳感器芯片廠家信心滿滿,意圖在高分辨率上有比霍爾原理有更多的突破,英飛凌的15位,安華高的16位紛紛登場(chǎng)。但是,靈敏度高同時(shí)意味著噪音引入也高,而且阻抗這玩藝不僅僅對(duì)磁場(chǎng)敏感,對(duì)溫度對(duì)周邊電氣環(huán)境一樣的敏感,在12位以上的幾種磁阻傳感器上,輸出的最后幾位都是飄忽不停的。需要用平均算法穩(wěn)定下來,這又犧牲了磁阻響應(yīng)較快的優(yōu)勢(shì)。
在霍爾感應(yīng)方面,2015年奧地利微電子在奮斗了十年后,終于將AS5040系列的輸出再提高了2位,推出了AS5047,能夠輸出14位信號(hào),而其增量脈沖信號(hào)只有AB相的1024PPR,經(jīng)過四倍頻也只有12位(4096)。
后起之秀日本的旭化成(AKM),主攻伺服電機(jī)的磁編,以穩(wěn)定的增量脈沖輸出信號(hào)為突破,2014年推出AK7451,有較為穩(wěn)定的AB相1024PPR方波脈沖輸出,其利用日本工業(yè)體系半導(dǎo)體技術(shù)較為領(lǐng)先的優(yōu)勢(shì),在增量方波信號(hào)處理上輸出的波形確實(shí)比AS5047漂亮。旭化成計(jì)劃推出的AK7452,輸出2500PPR方波脈沖和UVW信號(hào),大有取代目前伺服市場(chǎng)上大量的2500線UVW光編趨勢(shì)。
AK7451原理圖黑匣子
另外有一群磁編廠家,以游標(biāo)式多磁極磁編為發(fā)展方向,例如TIMKEN、IC-haus等等。
在國內(nèi),以江蘇多維電子為首的一批磁編芯片廠家也在興起,多維電子是以磁阻為基本原理,( GMR or TMR?) 隧道磁阻?仍然是阻抗對(duì)于磁場(chǎng)敏感度的捕捉原理。期待國產(chǎn)的磁編芯片能夠盡快趕上。
十年間全球磁編芯片廠家各顯神,群雄并起。但只是在奮斗了十幾年后,單對(duì)磁極的磁編分辨率有效性也僅僅在14位,而增量脈沖輸出式的在12-13位。而磁編的精度更是在0.3度至1度之間,難以與光編的精度匹敵。
那么是什么限制了磁編在分辨率和精度上升的空間?
二、磁編的“第一原理”
第一性原理(First principle thinking,又稱“第一原理”),是古希臘哲學(xué)家亞里士多德提出的一個(gè)哲學(xué)術(shù)語,其含義是:
每個(gè)系統(tǒng)中存在一個(gè)最基本的命題,它不能被違背或刪除。
把特斯拉汽車用大推力火箭送上天并奔向火星的馬斯克,在講到創(chuàng)新開發(fā)產(chǎn)品時(shí)特別推崇這個(gè)“第一性原理”。那么在磁編的發(fā)展創(chuàng)新中不能被違背的第一性原理是什么?是磁鐵是磁場(chǎng)的分辨率與精度是有限的!不管是霍爾還是磁阻,不管是正面對(duì)磁場(chǎng)還是背磁式,所有的磁編都要有用到這個(gè)磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)。磁鐵是不能被刪除被忽略的。
我們生活在地球上,地球的磁場(chǎng)不在南北極中心(盡管我們把磁極用NS表示),也不在一個(gè)明確固定的點(diǎn)上,而是一個(gè)范圍,隨著地球表面下地幔的運(yùn)動(dòng),磁極在緩慢的漂移。
而目前磁編用的磁鐵都是經(jīng)濟(jì)的1元左右通過簡單快速充磁獲得(經(jīng)濟(jì)性恰恰是磁編較之于光編的競爭優(yōu)勢(shì)),充磁設(shè)備與磁場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備的精度都有局限性,目前較高的也僅為0.2%,折算到分辨率位數(shù)是512(9位)。磁鐵在使用中因材質(zhì)表面也會(huì)發(fā)生“微火山”、“隕石坑”和鐵屑堆積的磁場(chǎng)變化。
其次,磁編都是通過磁場(chǎng)強(qiáng)度的模擬量變化,這種感應(yīng)都還不是線性的,需要磁編芯片線性擬合,這對(duì)于每一個(gè)充磁獲得的磁鐵都是不一樣(沒有更高精度的磁場(chǎng)檢測(cè)裝備,也沒有人工去檢測(cè)校準(zhǔn)每個(gè)磁鐵的線性度一致性)。NS分布的中心線并不是一個(gè)明確的界限,而是一個(gè)虛線,而且還不一定直線。
幾乎所有的磁編芯片都要經(jīng)過非線性修正,到一個(gè)接近于正余弦信號(hào)的波形。
所有的補(bǔ)償修正都是以犧牲響應(yīng)速度為代價(jià)的,然而還有磁編是感應(yīng)型的,有磁滯現(xiàn)象,還有AD轉(zhuǎn)換運(yùn)算滯后的時(shí)間差,在對(duì)于已經(jīng)運(yùn)動(dòng)的磁編測(cè)量還會(huì)帶來運(yùn)動(dòng)時(shí)間差的角度偏差。
磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)滯后偏差
磁鐵安裝偏差
這些都是磁編用經(jīng)濟(jì)性磁鐵的局限性造成的先天不足。當(dāng)然,也許可以在磁鐵材質(zhì)與充磁精度上下足文章,并在磁場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備和每一個(gè)磁鐵嚴(yán)格檢測(cè)上下足文章(人工投入),但是那樣的磁編成本將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光編了,也就失去了磁編的低成本競爭力。而磁編在運(yùn)動(dòng)后在響應(yīng)時(shí)間上的損失卻是無法補(bǔ)償?shù)摹?/div>
那么,按照第一性原理的思維,磁鐵及磁場(chǎng)和它的感應(yīng)式原理是無法繞過的。磁編的突破就要在磁鐵與磁場(chǎng)上動(dòng)腦精,在360度一周內(nèi)分割出更多的磁鐵或更多對(duì)磁場(chǎng)分布,才能提高磁編的分辨率與精度。多對(duì)磁極磁編以及背磁式游標(biāo)磁編,就是這樣的思維下被開發(fā)出來了。
三、假如我來做一個(gè)單對(duì)磁極17位磁編
當(dāng)全球知名磁編芯片廠家經(jīng)過多年努力下,單對(duì)磁極的磁編還停在13位14位時(shí),最近兩年國內(nèi)市場(chǎng)卻紛紛冒出了低成本單對(duì)磁極的17位甚至更高位數(shù)的磁編,究竟是哪路大神可以突破磁編第一性原理做得出這個(gè)高分辨率來?我仔細(xì)想想我十年前最初拿著AS5045資料學(xué)習(xí)的時(shí)候所想的問題,答案其實(shí)早在十年前就已經(jīng)有了。那么好吧,就好比讓我來做一個(gè)17位磁編,挖一下這個(gè)單對(duì)磁極17位磁編的坑。
第一個(gè)小技巧:選擇模擬信號(hào)的磁編芯片,數(shù)字串行輸出的原先是多少位的,只有省略減少位數(shù)卻不能再增加位數(shù)了,而模擬信號(hào)可以接近無限的AD轉(zhuǎn)換“細(xì)分”,靠芯片“分出”很高的分辨率來。
第二個(gè)小技巧:選擇數(shù)字串行信號(hào)做輸出,不能做AB相增量輸出。我在前面講到AS5047數(shù)字串行輸出的是14位,而AB相輸出1024脈沖的經(jīng)過四倍頻也只是12位,為什么做增量脈沖輸出的少掉了2位?這是因?yàn)閿?shù)字輸出的可以跳數(shù)可以反序,例如123,67,45,89,到17位時(shí)有13萬個(gè)數(shù),你會(huì)一格格極為緩慢的轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器去驗(yàn)證每個(gè)數(shù)的順序嗎?也沒有這個(gè)條件如此慢并高精度控制轉(zhuǎn)速的去一格格讀它的順序,這樣也就沒人能看出破綻了。但是AB相增量脈沖卻不行,當(dāng)有跳數(shù)反序,輸出的AB相位差就亂了,讀數(shù)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的累加就是錯(cuò)的了,這就好比要求南郭先生一個(gè)個(gè)吹竽無法再濫竽充數(shù)了。記住,必須輸出數(shù)字串行信號(hào),決不能提AB相增量脈沖輸出。
第三個(gè)小技巧:叫“補(bǔ)償技術(shù)”,補(bǔ)償是基于重復(fù)精度的對(duì)單信號(hào)周期誤差的補(bǔ)償,是基于單信號(hào)品質(zhì)不佳,但雖然有誤差卻仍然有一定的規(guī)律性,對(duì)于這樣的誤差規(guī)律性進(jìn)行補(bǔ)償。磁鐵磁場(chǎng)非線性沒關(guān)系,裝歪了裝斜了都沒關(guān)系,只要在編碼器安裝磁鐵與電路板后的首次通電時(shí)轉(zhuǎn)一下,讀取輸出波形并與理想波形對(duì)比,用芯片寄存補(bǔ)償。以后還會(huì)變嗎?這不是刻舟求劍嗎?沒有關(guān)系,只要出廠一個(gè)月是好的就夠了。
第四個(gè)小技巧:叫“校準(zhǔn)技術(shù)”,基于重復(fù)精度的校準(zhǔn)。重復(fù)精度是在大行程精度不夠的情況下,強(qiáng)調(diào)單信號(hào)角度位置每次的重復(fù)性。在已經(jīng)細(xì)分后的角度值,經(jīng)過與高精度的校準(zhǔn)儀器對(duì)比,逐點(diǎn)寄存誤差量并修正,這種做法稱之為“校準(zhǔn)”。校準(zhǔn)是基于單信號(hào)周期已有的重復(fù)精度,對(duì)于大行程偏差的一種修正。
磁編裝好后與一個(gè)較高精度的光編軸對(duì)軸的轉(zhuǎn)一圈,寄存偏差并校準(zhǔn)補(bǔ)回去,保存在磁編芯片了。反正一出廠剛剛校準(zhǔn)過的,準(zhǔn)啊。以后會(huì)不會(huì)不準(zhǔn)了再回廠校準(zhǔn)?就像汽車行駛一段公里數(shù)要保養(yǎng)一次那樣?出廠后誰管它啊。
第五個(gè)小技巧:叫“低通濾波”,說白了就是讀取一百次算平均值吧,這個(gè)在當(dāng)初AS5045和TLE5012的廠家都已經(jīng)主動(dòng)在教我的小技巧了,它可以過濾掉各種噪音與毛刺,沒什么神秘的。這在低速的讀數(shù)眼睛能看到的很穩(wěn)定,沒有跳數(shù)的,用于低速測(cè)量。至于輸出刷新速率,還有前面的運(yùn)動(dòng)后磁滯損失、校準(zhǔn)與補(bǔ)償時(shí)間損失,總體結(jié)果大約幾個(gè)Hz響應(yīng)吧。如果再有點(diǎn)技巧,在芯片里面設(shè)定一個(gè)轉(zhuǎn)速計(jì)算,當(dāng)?shù)退贂r(shí)自動(dòng)增加采樣數(shù)多一點(diǎn)讀數(shù)做平均值。
第六個(gè)小技巧:叫臉皮要厚!這樣只是刻舟求劍式的慢速的好看的小技巧有用嗎?很管用!因?yàn)橛媒?jīng)濟(jì)型17位編碼器的用戶可能還不太懂磁編,也有可能即使懂了其實(shí)也只是買個(gè)安慰劑,或者更便于伺服電機(jī)的銷售——經(jīng)濟(jì)級(jí)伺服也用上了高大上的17位絕對(duì)值編碼器了,那樣更好賣。這些經(jīng)濟(jì)的伺服他們的機(jī)械結(jié)構(gòu)精度、他們的減速機(jī)精度以及他們的控制器刷新與響應(yīng)速度都還沒有那么高,足夠可以掩蓋一個(gè)單對(duì)磁極17位磁編的毛刺與假象了。
供稿:@Q裘奮
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《機(jī)器人與智能系統(tǒng)》
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