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高性能磁编码器解决方案应对智能化工业机器人精度挑战

文章出处:德伍拓 责任编辑:admin 人气:39 发表时间:2021-04-12 15:23 【   

协作机器人是指在共享空间中与人类互动或近距离地与人一起安全工作以生产东西的机器人。1978年,日本广岛一家工厂的切割机器人在切钢板时将一名值班工人当作钢板操作,导致了悲剧的发生,自那时起工业机器人的安全性就成为了所有机器人研发人员一直在努力解决的问题。而从1996年世界上第一台商业化人机协作机器人WAM机械臂于美国诞生以来,又一个核心问题始终困扰着研发者——如何在实现安全化的同时,提升生产效率并降低成本。

作为机电系统的一种外在表现形式,工业协作机器人的机械臂通常通过变速箱连接到电机,而要实现电机的精确控制和高效换向,高分辨率电流和旋转位置信息至关重要。一般而言,在基于旋变器的系统中,分辨率和精度可能非常高,但终端解决方案可能价格昂贵且体积较大;无传感器方案也可用于检测反电动势电流,而且还能降低传感器重量和成本,但是电机启动性能可能是个问题;利用三个霍尔效应传感器检测电机磁体的位置则通常用于对成本敏感的应用中,由于需要监控三个信号,往往会产生空间和安装难题。作为工业自动化领域半导体方案的专业厂商,ADI公司提供基于异性磁阻(AMR)技术的角度传感器,借助ARM传感器,不仅可实现高角度精度,而且可获得非常小的传感器子系统,并且能够在电机总成内定位传感器。

什么是AMR技术?

基于AMR理念的传感器的材料电阻率取决于相对于电流方向的磁化方向。该传感器通常沉积为薄膜透磁合金(磁性铁镍合金)AMR传感器在饱和状态下工作,因此外部磁场对电阻变化起决定作用。外部磁场和电流方向平行时电阻最大,施加磁场与载流透磁合金的平面垂直时电阻最小。两个独立的惠斯登电桥配置以彼此呈45°的方式排列时,可实现角度传感器,其正弦和余弦输出取决于外部磁场方向。此配置可提供具有180°绝对测量范围的传感器。

在当今的位置检测技术中,各向异性磁阻(AMR)薄膜材料变得日益重要。相比传统技术,磁阻(MR)位置测量具有多种优势。可靠性、精度和整体鲁棒性是推动磁阻检测技术快速发展的主要因素。低成本、相对较小的尺寸、非接触式操作、宽温度范围、对灰尘和光的不敏感性、宽磁场范围,这些特性共同造就出一种鲁棒的传感器设计。

决定机器人精度和可重复性规格的因素

当机器人处于工作状态时,电机旋转速度往往非常快,相比之下,机械臂的运动速度要慢得多。位置传感器通常安装在电机本身上,送回机器人控制器的关节角度解读结果会显示关节的位置,然后从电机角度传感器直接解释,或在机械臂一侧进行解释。在机械臂一侧的情况下,电机角度传感器将被用来控制电机速度。还有一个安全制动器,当断电时它会将机械臂固定在适当的位置,以免整个机械臂倒塌。

工业机器人架构

可重复性是机器人设计中最常使用的术语之一,一旦机械臂始终回到同一位置,用户就可以在任务开始时对其进行校准,然后便知道它会保持一致。人们经常使用精度一词代替可重复性,它是重复性任务(例如机器人技术)中最重要的规格和关键参数之一。具有高重复性的系统经校准后可实现很高的绝对精度。

了解可重复性规格和机器人的作用范围之后,我们就可以推断旋转编码器的规格。伺服电机上和机器人关节上一般都有编码器,变速箱通过提高扭矩,将电机的高速转动转换成受控的低惯性臂运动。由于机器人中有多个关节,而且要考虑机械公差,因此组合多个关节以实现机器人在传感器下的总体作用范围时,关节的性能应比目标角度重复性规格更高。

具备高可靠性&精确位置信息的 AMR传感器

ADI可提供ADA4571 AMR角度传感器形式的位置传感器以用于成熟的磁编码器解决方案。借助高精度位置反馈信息,ADA4571可提高电机换向效能,改进对扭矩和速率性能的控制,在低转速应用中尤其如此。该款传感器还支持最高50,000 RPM的电机转速,而角度直接测量原理则可降低振动和噪声效应,从而消除对电机性能的影响。完善的扭矩控制能力则有利于提高电机效率,减少排放和散热,并能延长电机寿命。除此以外,低相位延迟(2µs)则可实现快速闭环控制,提高工业伺服电机、机器人、电动转向等高动态应用中的响应能力。

基于ADA4571 AMR角度传感器的磁编码器解决方案

与其他传感器技术(霍尔/GMR/TMR)不同,ADA4571无需执行额外的校准步骤,例如幅度校正或正交性校正。经过生产测试验证的幅度失配确保小于1%,而先进的传感器设计还可确保正交性。传感器还可忽略迟滞,从而获得高可靠性且精确的位置信息。

对于无需高精度、低性能且对成本敏感的应用,ADA4571可在不进行线路终端失调校正的情况下使用。这种情况下,ADA4571可确保具有小于的角度误差。这对于一些未校准的应用非常有用,因为主机控制器知道轴的位置,因此可优化启动状况。

360°机械旋转时的ADA4571误差(灰色)和输出波形(橙色/蓝色)

由于ADA4571能够提供低延迟和精确的位置反馈信息,因此可对电机各相的电流进行精确控制,从而使电机对动态负载做出顺畅响应,或在变化的条件下维持恒速。最终结果就是更好的控制、最大的扭矩、更高的启动/停止效率,以及更佳的运行状况。

总结

智能机器人是工厂数字化的关键要素,但它们的大多数方面都需要进步,例如检测精度、测量、安全性、通信、机器可靠性和功率效率等。从处理核心电机控制和运动控制的伺服驱动器,到工业应用,无线网络,ADI公司在机器人的所有这些领域或子系统都有完整的解决方案,将致力于促进数字技术与传统行业深度融合,赋能传统工业生产转型升级,助力构建未来自动化智能产业体系。

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