基于DSP与FPGA的电容绝对式编码器的设计北大核心CSCD

为了解决绝对式编码器的编码盘复杂,增量式编码器不能获取绝对位置信息的问题,设计了一种具有2组码道的非接触角度测量的电容式旋转编码器。编码器包括2个定子和1个转子,由FPGA产生的4路相位差90°的高频方波信号作用在定子的发射极上,转子具有正弦轮廓,可将角度位置编码为基于正交调制的相位/频率调制信号,然后利用FPGA和DSP将调制信号数字化解码到角位置,最后通过RS485将数字角度位置传输到计算机上,实现了绝对角位移的在线检测。实验结果表明:设计的编码器工作可靠,测量稳定。     

绝对式多极磁电轴角编码器的设计

为了实现多对极磁电式轴角编码器的高分辨率绝对式检测并降低其成本,基于改进格雷码构建了一种新型多极磁电轴角编码器模型,提出一种基于校准查表的信号处理方式,以消除磁场非线性和装配误差对测量精度的影响。设计了两个由永磁体磁环构成的码道:粗码道,根据改进格雷码生成N和S极充磁顺序,采用圆周均匀分布的线性霍尔元件得到转子所处磁极区域的绝对偏移量;细分码道,N和S极等距间隔排列,定子上3个线性霍尔元件将磁信号转换为电信号,查表得到转子于所处信号周期内的相对偏移量。在离线状态下,用高分辨率的增量式光电轴角编码器进行校准,对其A/B相脉冲输出和磁电式轴角编码器的霍尔信号同时采样并上传到计算机进行高精度信号重构,得到标准角位移和霍尔信号映射关系,通过单片机的自编程技术将数据存储于主控芯片中固定地址以供查表;角位移检测状态下,根据霍尔信号查表得到绝对角位移。根据上述原理研制出12极磁电式轴角编码器样机,实现了分辨率为±0.72′,精度达±1.2′以下的单圈绝对位置检测。该编码器通过增加磁极数还可进一步提高测量精度。     

单码道绝对式角度编码器的编码及解码原理

研究了绝对式角度编码器的编码原理及解码方法.在分析国外已有编码原理的基础上,提出了一种新的编码和解码方法来确定编码器参考线的位置.使用码区编号的概念后,使得编码器的原理变得非常简单CCD传感器获取至少一个码区的编码后,依据该码区内相邻条码标识符间的关系获得码区编号,即可以得到每个条码的粗测值;由CCD传感器每个像素代表的角度值及码区内每个条码至参考线的像素可以获得该条码的精测值,将粗测值和精测值组合成参考线的最后测量结果.这里还研究了条码总数N,码区内条码个数m和条码种类k间的关系,并以单码道绝对式角度编码器为例对编码器的理论精度进行了估计.     

高分辨率的电机绝对式多极磁编码器设计与研究

为了提高电机绝对式磁编码器的分辨率,提出了一种偏心结构的新型多极磁编码器。该多极磁编码器仅由1个偏心旋转的多极磁体和4个霍尔传感器组成,结构简单、成本低。通过结合查找表和最小二乘法来计算绝对偏移量,能够在使用多极磁体提高分辨率的同时,通过磁铁偏心旋转区分的4个信号计算出绝对角度。此外,由于可以计算正交信号,因此可以使用传统方法来配置转换器,通用性较强。编码器样机测试结果表明:所设计的磁编码器能够计算出绝对角度,并达到了0.08°的角度精度和12 bits的分辨率。     

一种基于PCB工艺的平面绝对式角位移传感器研究

文中研究的平面绝对式角位移传感器采用PCB工艺制造定子和转子。定子PCB包含正弦形平面激励线圈和环形感应线圈,转子PCB包含改变激励线圈和感应线圈耦合系数的铜箔阵列。传感器共有2个传感通道,2个通道的重复结构周期数相差为1,共同实现绝对角位移测量。文中对该传感器进行了有限元仿真,验证了其原理可行性。样机实验表明,在0°～360°范围内传感器的原始测量误差为-104.2″～28.8″。这种基于PCB工艺的平面绝对式角位移传感器,具有结构简单、厚度小的特点,非常适合机器人关节臂等对传感器体积要求苛刻的工作场合。     

绝对式光电编码器的编码理论研究进展

介绍了用于角度测量的绝对式光电旋转编码器的编码理论研究概况,具体包括反射式格雷码、矩阵码、m序列码和单码道格雷码的绝对位置编码方法和编码特征。绝对位置编码的发展过程是以唯一性和单变性为基础特性,以单码道性为最终目标进行编码矩阵列数的缩减。目前,编码类型的发展经历了n条码道的反射式格雷码、n/3条码道矩阵码、2条码道的m序列码以及1条码道的单码道格雷码,已经达到单码道的最终目标。由于单码道格雷码编码理论尚不完善,仍依赖搜索获得编码,因此其快速构造方法是未来绝对位置编码理论的发展方向。最后,对近几年发展起来的基于图像传感器的非编码测量方法进行了介绍和展望,该方法是对传统测量方法的颠覆,有望成为光电式旋转编码器的另一个发展方向。     

绝对码编码器中一种新型的编码方法

提出了码盘式传感器码盘的一种全新的码制——单道码绝对码编码法，即绝对码简码。它是一种单道码编码法，图形简单，制作方便，容易提高精度，将对绝对码编码器的小型化，集成化和绝对式磁编码器的研制提供一种新的思路。     

一种新型光学编码器

光学编码器是长度和角度测量最常用的传感器,两种传统光学编码器:绝对式和增量式光学编码器的光学图案、位置编码原理和信号处理电路各具特色,随着科学技术的发展,一种新型光学编码器方案:准绝对式编码器,继承了二者的优点,根据其串行位置编码原理,借助计算机辅助设计,获得了全周100个位置的编码方案,设计了相应的准绝对式编码器;通过与两种传统编码器特点的比较,突出了准绝对式光学编码器的显著特点,指明了其未来良好的应用和发展前景.     

解析编码器在风电控制系统中的应用

在现代工程中传感器是获取信息的工具,是实现自动检测和自动控制的首要环节,它是将各种非电量变换为电量的装置。编码器是众多传感器中的一种。编码器按运动部件的运动方式来分,可以分为旋转式和直线式两种。旋转式光电编码器容易做成全封闭型式,易于实现小型化,具有较强的环境适用能力,因而在实际工业生产中得到广泛的应用。根据检测原理,编码器又可分为光学式、磁式、感应式和电容式;根据其刻度方法及信号输出形式,可分为增量式、绝对式以及混合式三种。本文主要解析增量式和绝对式旋转式光电编码器,如何在风电控制系统中准确对变桨电机转子旋转速度和位置的测量,以及双馈发电机转子转速的精确测量,实现对桨叶角度控制和双馈发电机的伺服控制。     

基于相位拟合的绝对式光电精密测角方法

单码道绝对式轴角编码器具有分辨力高、结构简单、可靠性强等优点。为实现角度高精度快速识别和细分测量,提出一种基于相位拟合的绝对式编码器角度细分方法。该方法利用最长线性反馈移位寄存器序列(m序列)进行单码道绝对式编码,首先对CCD采样电平信号进行计数,判断码值组合后得到粗码译码数据;接着利用牛顿迭代法实现三角函数拟合从而获取相位信息,并提出基于相位信息的角度细分算法获得细分角度;最后结合粗码数据与细分角度得到角度信息。实验结果表明,提出的新型测角方法测角标准偏差达到4.57″,最小分度误差仅为0.23″,该方法大大提高了分辨力和精度,并且从原理上避免了码盘粗大误差对测角的影响。     

Absolute robot calibration with a single telescoping ballbar

A novel 6D measurement system was recently proposed, comprising a single commercially available telescoping ballbar and two custom-made fixtures. One fixture is attached to the robot base and the other to the robot end-effector, and each having three magnetic cups. In each of 72 poses of the tool fixture, with respect to the base fixture, it is possible to measure six distances with the ballbar between the magnetic cups on the tool fixture and the magnetic cups on the base fixture, and thus calculate the pose with high accuracy. This paper is the first to present the successful use of this measurement system for absolute robot calibration. The robot calibrated is a Fanuc LR Mate 200iC six-axis industrial robot and the telescoping bar used is the QC20-W by Renishaw. The absolute position accuracy of the robot after calibration is validated with a Faro laser tracker in almost 10,000 robot configurations. Considering the validation data in only the front/up configurations, the mean absolute positioning error is improved from 0.873 mm to 0.479 mm. To allow a comparison, the robot is also calibrated using the laser tracker and the robot accuracy validated in the same 10,000 robot configurations.     

基于平面线圈的高分辨力时栅角位移传感器

针对现有时栅角位移传感器采用漆包线绕制工艺加工线圈,导致线圈布线不均且容易随时间发生变化进而影响测量精度的问题,提出一种基于PCB技术的新型时栅角位移传感器。该传感器通过在PCB基板的不同层上布置特定形状的激励线圈和感应线圈,形成两个完全相同并沿圆周空间正交的传感单元;当在两传感单元的激励线圈中分别通入时间正交的两相激励电流后,通过导磁定子基体和具有特定齿、槽结构的导磁转子对传感单元内的磁场实施精确约束,使两传感单元的感应线圈串联输出初相角随转子转角变化的正弦感应信号;最后通过高频时钟脉冲插补初相角实现精密角位移测量。利用有限元分析软件对传感器进行了建模和仿真。根据仿真模型制作了传感器实物,开展了验证实验,并对实验中角位移测量误差的频次和来源进行了详细分析。经过标定和补偿,最终获得了整周范围内误差在-2.82″~2.02″的时栅角位移传感器。理论推导、仿真分析和实验验证均表明,该传感器不仅能实现精密角位移测量,还能在激励线圈和感应线圈空间极距和信号质量不变的情况下,将位移测量的分辨力从信号源头提高1倍,且结构简单稳定、极易实现,特别适用于环境恶劣的工业现场。     

基于双目立体视觉的工业机器人在线温度补偿

工业机器人在工业现场进行连续高速作业过程中,电机发热和关节摩擦生热将导致机械臂本体温度升高,引起机器人末端定位漂移,严重影响机器人的重复定位精度和作业精度。针对制造现场的工业机器人,提出了一种基于双目立体视觉的温度误差在线补偿方法,并基于微分运动学和双目视觉原理构建了温度误差补偿模型。在机器人末端安装基准球,同时在基座附近固定视觉测量传感器,机器人完成作业循环之后,以不同的姿态带动基准球至传感器视场内进行补偿测量。此外,通过分析各关节参数随时间变化的规律,筛选出符合温度漂移规律的显著性参数进行补偿,有效降低了补偿测量次数和耗时。实验结果显示,补偿后机器人的重复定位精度可维持在±0.1mm的水平,能够显著改善制造现场工业机器人的作业精度,且整个补偿测量过程耗时10s左右。     

一种基于位姿反馈的工业机器人定位补偿方法

为了提高工业机器人的绝对定位精度,提出了一种基于末端位姿闭环反馈的机器人精度补偿方法。该方法通过激光跟踪仪测量实时跟踪机器人末端靶标点的位置来监测机器人末端的位姿,并通过对靶标点的实际位置和理论位置进行匹配获得机器人末端的位姿偏差。工业机器人系统与激光跟踪测量系统通过局域网进行数据通信,并根据位姿偏差数据对机器人末端的位姿进行修正。最后通过实验对基于末端位姿闭环反馈的机器人精度补偿方法进行验证,实验表明,经过位姿闭环反馈补偿后机器人末端位置误差最大幅度可以降低到0.05mm,姿态误差最大幅度可以降低到0.012°。     

六自由度工业机器人末端定位误差参数辨识与实验研究

为了提高六自由度工业机器人绝对定位精度,对工业机器人进行了运动学建模,并建立了基于MD-H参数误差的机器人末端定位误差辨识模型,应用激光跟踪仪测量系统采集样本点数据,应用基于奇异值分解的最小二乘法求解辨识模型,以获得几何参数误差,并根据辨识出的误差对机器人末端定位精度进行补偿,实验结果表明,经过辨识和补偿后,工业机器人绝对定位精度得到明显提高,可为后续复杂作业的离线编程与作业规划打下基础。     

机器人基座六维力传感器重力补偿研究

机器人基座六维力传感器常受到安装精度和机器人重力影响而出现测量误差。为了解决这一问题,在利用 D-H 法建立机器人位姿模型的基础上,推导出基于最小二乘法的基座六维力传感器静态重力补偿算法。针对算法中需要采集大量机器人位姿数据的问题,采用正交实验法确定样本空间以减少位姿采集量。最后以六自由度协作机器人为例,利用 6 因素 5 水平的正交实验表获取机器人典型位姿,搭建数据采集平台,实现补偿算法所需数据的采集,求解该机器人的基座六维力传感器静态重力补偿矩阵。实验表明,该补偿算法能够有效得到基座六维力传感器测得的误差值。     

基于卡诺图的均布式绝对位置编码

提出了一种基于卡诺图的均布式绝对位置编码，介绍了该绝对编码的生成方法及在绝对位置角度传感器中的应用。基于卡诺图的均布式绝对位置编码是一种单码道绝对位置编码，克服了传统位置编码随精度提高而码道增多、工艺上不易实现的缺点，可缩减码盘的直径，为绝对位置角度传感器的高精度、小型化开辟了一条新的途径。     

惯性参考单元的变增益PI位置控制技术

基于惯性参考单元的视轴稳定方式是克服运动载体光电跟瞄系统外部扰动,实现微弧度甚至亚微弧度级跟瞄的主要技术手段。惯性参考单元的初始校准需要构建以电涡流线位移传感器作为角位置反馈元件的闭环控制回路,角位置控制精度是影响光电跟瞄系统指向精度的主要因素。为了解决惯性参考单元系统位置控制面临的基座扰动、传感器噪声等问题,提出基于频段估计的变增益PI控制方法。设计改进扰动观测器,降低中低频传感噪声对控制精度的影响,设计频段估计器实现外部扰动频段的细分,据此动态调节控制器增益。仿真和实验结果表明,基于VGPI-IDOB控制算法能够有效提高系统的位置控制精度,无输入条件下,系统的静态输出均方根较PI控制降低了67.3%;15 Hz, 1 mrad正弦输入,20 Hz, 0.097 mrad扰动作用下,VGPI-IDOB的位置控制精度相较PI控制提升了72%。     

基于标定和关节空间插值的工业机器人轨迹误差补偿

轨迹精度是工业机器人重要的动态性能,目前工业机器人的轨迹精度远低于定位精度,提出一种基于机器人运动学标定和关节空间插值误差补偿的方法来提高机器人轨迹精度。基于MD-H方法建立机器人的运动学模型,在此基础上运用机器人微分运动学理论建立末端位置误差模型和轨迹误差模型。为克服最小二乘法等传统方法在数据噪声较大且不符合高斯分布时收敛慢甚至发散的问题,提出一种基于扩展卡尔曼滤波算法的机器人运动学参数辨识方法,实现运动学参数辨识的快速收敛。经过分析发现机器人误差在关节空间具有连续性的特点,为此提出一种关节空间插值误差补偿方法,建立网格形式的误差补偿数据库,并利用关节空间距离权重函数和已知的网格顶点误差计算各控制点的关节转角误差。通过试验对所提出的参数辨识和关节空间误差补偿方法进行了验证,试验结果表明：经过运动学参数辨识和补偿后机器人的绝对定位精度由1.039 mm提高到0.226 mm,轨迹精度由2.532 mm提高到1.873 mm,应用关节空间插值误差补偿后机器人的轨迹精度进一步提高到1.464 mm。