伺服电机 传感器：伺服电机位置传感器通用接口电路[实用新型专利]

专利内容由知识产权出版社提供
摘要：
本实用新型涉及通信接口电路，特别涉及一种伺服电机位置传感器通用接口电路。本实用
新型提供一种伺服电机位置传感器通用接口电路电路结构，通过采用JR15接口，并自定义该接口各个
引脚的作用，可在将对外端口（B+端口、B
?
端口、A+端口、A
?
端口、Z+端口、Z
?
端口）在电路板上
位置固定方式下，仅仅通过改变设置在JR15接口和处理电路之间的通信协议芯片实现控制电路采用不
同的通信协议，以适应不同的位置传感器。本电路采用预留端口的电路板结构，可在生产时，先不安
装具体通信协议芯片，而是在确定需要何种通信协议芯片后，将相应芯片插接或焊接在对外端口处，
即可将本接口电路变为相应的通信接口。
申请人：
四川埃姆克伺服科技有限公司
地址：
四川省成都市双流区西航港牧鱼二路588号
国籍：
CN
代理机构：
四川力久律师事务所
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伺服电机 传感器：伺服电机都会用到什么传感器？

一般来说，伺服电机的编码器有两种，绝对值编码器和相对值编码器。绝对值编码器断电可以保持，只要电池还有电，是不需要寻原点的；相对编码器由于断电后会丢失电机多圈数值，故需要寻原点操作。相对编码器的伺服电机在寻原点的过程中需要有一个外部传感器来配合动作，当外部传感器检测到寻原点位置块后，伺服电机从寻原点高速切换到寻原点低速，当电机继续运行到外部传感器检测下降沿后，伺服电机旋转到编码器z相输出点即可。
需要着重强调的是1）原点精度不依赖于外部传感器的精度，只要外部传感器没有被松动，伺服电机就应该非常精确的找到原点；2）伺服电机后面的编码器如果固定牢固，z相脉冲点就是固定的，伺服寻原点也就非常精确；3）伺服电机寻原点的方式有很多种，需要依据现场设备来确定电机在各个过程中的运行方向；4）一般来说伺服电机寻原点的目的是将电机当前实际位置与控制器内位置相匹配，故很多伺服电机寻原点最后停止位置不在0.0的位置，会有一点偏差，这点偏差不代表寻原点位置有误差，而是因为电机实际位置已经与控制器内部位置匹配完成，没有必要精确的走到原点。

伺服电机 传感器：如何为伺服电机选择传感器

在许多电动机管理和控制应用中，由传感器组件提供的转子位置和/或速度的实时详细信息，对于有效的闭环反馈以及对物镜的精确性能至关重要。

当然，电动机的速度，位置和加速度是紧密相连的。因为速度是位置的导数（时间变化率），所以即使只知道其中一个因素，也可以确定所有三个因素。

然而，实际上，由于分辨率和噪声，这种确定相关参数的方法通常（但并非总是）不足。例如，知道转子已经完成了另一次旋转，就会告诉您所有三个变量，但是分辨率非常低，通常是不可接受的。根据应用的不同，所需的分辨率和精度可以从粗糙到中等到精确。CNC机床需要精确的转子信息，汽车的电动窗控制器可以接受近似数据，而洗衣机或干衣机将仅满足粗略的信息。

为了检测转子的位置或运动，最常见的选择是解析器，光学或电容编码器和霍尔效应设备，其精度，分辨率和成本大致按降序排列。这些传感器在物理设计，实现和电气接口方面有很大的不同，因此用户必须了解所需的知识，给定应用中的最佳选择以及如何将传感器与控制器的电路接口。

增量编码器（仅在需要相对位置或成本问题时使用）通常与交流感应电动机一起使用。相比之下，在伺服应用中，绝对编码器（在每个位置提供不同的二进制输出，因此绝对确定了轴位置）通常与永磁无刷电机配对。当然，应用程序是确定是否需要增量或绝对信息的主要因素。

尽管现在大多数电机控制都是通过数字控制回路完成的，但传感器信号本身要么是全模拟信号，需要数字化，要么是数字信号，但电压和其他属性使其与标准数字电路不兼容。虽然某些反馈传感器提供了“原始”输出，可以根据需要进行定制，但许多反馈传感器还提供了与标准I / O端口，格式和协议兼容的已调理，随时可连接的输出。

旋转变压器是极其精确，坚固，绝对的位置传感器。它们基于基本的变压器原理，具有一个初级绕组和两个次级绕组，它们相对于彼此呈正交（90°）取向，如图2所示。初级绕组和次级绕组之间的有效匝数比和极性取决于轴的角度。初级绕组被恒定频率的参考AC波形激励，其恒定频率范围为50/60 Hz至几百kHz，并且次级绕组的输出由于其物理位置而异相。二次绕组的峰值电压将随着轴的旋转而变化，并且将与轴的角度成比例。通过使用主要信号作为参考对这些输出进行解调。

图2：旋转变压器使用一个初级绕组和一对正交的次级绕组来评估角度；它需要交流激励和解调，但准确，坚固耐用，并在加电时提供绝对位置信息。

解析器不仅准确，而且坚固耐用。初级侧和次级侧之间没有物理接触，除了电动机本身以外，没有单独的电刷或轴承，没有会导致零件磨损的摩擦点，并且没有机会污染污染物（例如油）干扰操作。由于解析器的机械强度和性能，它们被广泛用于极具挑战性的情况下，例如军用枪的角度测量。

但是，与替代方案相比，旋转变压器往往体积较大且成本较高，并且需要相对大量的功率，这在低功率应用中通常是不可接受的。它们也需要相对复杂的电路来生成和解调AC波形，尽管这对现代IC的阻碍要小得多。它们在“加电”时提供绝对位置指示，并且不需要任何运动来索引或确定初始角度。当然，此功能在某些情况下是“必须具备”的，而在其他情况下则是“无关紧要”的。

增量位置读出中的光学编码器，它使用光源（LED），两个正交的光电传感器以及它们之间的玻璃或塑料盘，如图3所示。磁盘的中心有细微的蚀刻线，旋转时，传感器会看到明暗的图案。

磁盘上的行数和其他一些技术决定了分辨率，通常是每转1,024、2,048甚至高达4,096个计数。与类似变压器的旋转变压器不同，在开发长寿命LED和高效光电传感器之前，光学编码器才是大众市场的设备。

图3：光学编码器具有一个光源，正交光传感器和一个插入的带线盘；它体积小，功耗低，非常易于与电路接口，并可以提供出色的性能。

传感器的物理布置使编码器可以确定旋转方向。一个基本电路将来自两个传感器的脉冲序列（称为A / B输出）转换为一对指示运动和方向的位流，图4。

图4：光学编码器的A / B正交和索引输出与许多接口和运动控制处理器I / O端口兼容。

但是，编码器是运动的增量指示符，而不是绝对的指示符。为了确定绝对位置，大多数编码器增加了第三条光道和一个光电传感器作为指示符“零参考光道”；轴必须足够旋转以通过零参考位置以发出信号。有几种方法可以将真实的相对位置读数添加到光学编码器中，但是这些方法会增加设备的复杂性。

光学编码器提供了很好的分辨率，但不像旋转变压器那么坚固。污垢会干扰光路，并且编码器盘会变脏。但是，它们的性能对于许多应用来说已经绰绰有余，而且体积小，重量轻，功耗低，易于接口且成本低。

典型的用于电机和旋转应用的光学编码器是Avago Technologies（Broadcom）的类似HEDS-9000和HEDS-9100两通道模块。这些高性能，低成本模块包括封装在小型C形塑料封装中的带透镜的LED光源和检测器IC，以及驱动器和接口电子设备，如图5所示。它们具有高度准直的光源和特殊功能。光电探测器的物理布置，因此它们非常容忍安装偏差。

图5： Avago HEDS-9000和HEDS-9100两通道模块体积小，安装灵活。插入的光盘需单独订购，并具有所需的每转计数分辨率。

请注意，称为码盘的磁盘是单独购买的，对于HEDS-9000，分辨率为500 CPR和1,000 CPR，对于HEDS-9100，分辨率为96 CPR和512 CPR。这些模块提供两个通道的TTL兼容的A和B数字输出，并且需要一个5V单电源。

图6： Avago HEDS-9000和HEDS-9100两通道模块体积小，安装灵活。插入的光盘需单独订购，并具有所需的每转计数分辨率。

如图7所示，CUI AMT10系列说明了基于电容原理而非光学原理的光学编码器的另一种选择。这些编码器提供了一系列坚固，高精度，模块化的单元，有增量式和绝对式两种，用户可以通过四位DIP开关从16个值中选择最高12位（4,096个计数）的分辨率。这些单元的CMOS兼容A / B正交输出通过标准SPI接口报告。

图7：从外部看，CUI AMT10电容式编码器看起来像光学编码器，但是其基本工作原理却大不相同。

与光学编码器不同，CUI AMT设备在编码器的活动和非活动部分使用重复的蚀刻图案导体。当编码器旋转时，两个部分之间的相对电容会增加和减小，并且这种电容的变化会被感应到，有点类似于光学编码器中光电晶体管的输出。污垢和其他污染物在这里几乎没有有害作用。

请记住，解析器或编码器也是具有安装注意事项和电气兼容性要求的机械设备。为了最大程度地减少库存和库存问题，CUI为AMT10系列提供了广泛的衬套，盖和安装座，如图8所示，因此相同的基本编码器可用于各种直径和安装的轴。

图8：实际上，编码器必须解决各种各样的轴和安装情况。CUI提供了全套的颜色编码套管和其他配件，因此单个编码器可以满足许多应用需求。

解析器和编码器可以产生分辨率高达1/100度（0.6弧分）或更高的基本读数，但精度与分辨率不同。无论设计是使用旋转变压器还是编码器，都会由于温度，变化跟踪速度，不期望的相移和其他因素而产生误差源。但是，这些单元的供应商已经设计出了消除，消除或弥补许多这些缺点的方法，通常是通过在原始传感器输出和去往系统控制器的调节输出之间使用基于IC的电路来实现的。

霍尔效应器件功能强大

还有另一种基于时间磨损原理的编码或传感器设备，但是这要求现代的半导体电子产品和封装变得广泛可承受，可用和有效。此外，现在可以在芯片上使用关键接口电路，该接口电路可以利用微小电压并将其轻松连接到系统，从而进一步简化了该技术的使用。霍尔效应设备可用于感测流经传感器一部分导体的电流，或附近磁场的存在与否。

我们所知的霍尔效应是由埃德温·霍尔（Edwin Hall）在1879年发现的：电导体两端产生的电位差-霍尔电压，与导体中的电流成直角，垂直于电流的磁场成正比。

图9：霍尔效应器件的原理涉及彼此正交的电流，电压和磁场。

一些霍尔效应传感器远远超出了仅合并传感器元件本身的范围。迈来芯（Melexis）MLX三轴位置传感器是单片绝对传感器IC，它对正交和平行于IC表面施加的磁通密度敏感。它对通量密度的三个分量很敏感，这使得MLX（具有正确的磁路）可以解码任何移动磁体的绝对位置（例如0到360°的旋转位置）。

这种内部的12位分辨率设备包括带有微控制器和DSP的片上信号处理，如图10所示，因此它可以执行所需的计算以及针对固有非线性的校正等，如图11所示。它还支持广泛的用户可选范围功能和特性，以及各种输出格式，包括带有内置纠错功能的高级格式，称为SENT（SAE J2716-2010），已广泛应用于汽车应用中。

图10： Melexis MLX不仅仅是一个霍尔效应传感器；它包括一个放大器，数字转换器，处理器，固件。

图11： MLX的处理能力通过纠正基本霍尔效应换能器线性中的一些可避免的误差，使其显着提高了性能。

大多数霍尔效应磁编码器都使用一个附在电机轴上的轮子，该轮子在其周长周围有一组磁化的北极和南极。它与光学编码器开槽轮的磁性相似。砂轮通常由嵌入极柱的注塑铁氧体制成。典型的车轮被磁化为32极（北16和南16），因此分辨率远低于光学编码器或旋转变压器，但在许多情况下通常已经足够。一个典型的装置具有三个霍尔效应传感器，它们在电气上隔开120°，以感应车轮的换向。

伺服电机 传感器：驱动和传感器说明-伺服电机

驱动和传感器说明-伺服电机

说明

伺服电机（图 1）是一种驱动轴可旋转到指定角度且可保持在此角度的驱动部件，伺服电机不能像直流电机能连续旋转，其旋转角度为-180°~ +179°。

伺服电机可用于控制机械手臂、仿生类机器人（昆虫、动物）、类人机器人或其它完成特定动作的机械结构，通常情况下需要多个伺服电机配合使用。

在驱动伺服电机时，可直接设置其目标角度，或使用高级模块使其平滑转动。伺服电机在仿真开始时总是处于0°的角度。

伺服电机有2种安装点，方形安装点用于安装，圆形安装点为驱动轴。驱动伺服电机时，其圆形安装点上安装的部件可转动。

相关编程模块

与伺服电机相关的编程模块有“驱动”类中的“伺服电机驱动”、“多伺服电机驱动”、“多伺服步进驱动”、“多伺服总时间驱动”4个模块，如图 2所示。

“伺服电机驱动”是基本驱动模块，将单个伺服电机从当前角度直接驱动到目标角度。此模块有2个容器，左容器放置表示伺服电机端口号的模块，可放置“机器人端口”、“常量int”、“变量int”等。右容器放置表示伺服电机角度值的模块，可放置“常量int”、“变量int”等。

“多伺服电机驱动”是基本驱动模块，将一个或多个伺服电机从当前角度直接驱动到目标角度。此模块没有容器，在属性面板中列出了机器人所有的伺服电机，选择需要驱动的伺服电机，并输入其目标角度。

“多伺服步进驱动”是高级驱动模块，将一个或多个伺服电机从当前角度，按照指定的步进角度，以指定的间隔时间驱动到目标角度。此模块没有容器，在属性面板中设置其驱动参数，“步进量（角度）”设置所有选择的伺服电机每次改变的角度差值，“间隔时间（毫秒）”设置两次步进之间的等待时间，“伺服电机列表”中选择需要驱动的伺服电机，“值”输入目标角度，不选择的伺服电机不被驱动。此模块为堵塞执行1，执行时间约为：

执行时间=（最大角度差 ÷ 步进量） × 间隔时间

此模块驱动时，同时驱动所有选择的伺服电机，直到所有伺服电到达目标角度。角度差较小的伺服电机先达到目标角度，并保持不动，等待角度差较大伺服电机到达目标角度。

“多伺服总时间驱动”是高级驱动模块，将一个或多个伺服电机从当前角度在指定时间内自动匀速驱动到目标角度。在属性面板中设置其驱动参数，“驱动总时间（毫秒）”设置驱动的总时间，“伺服电机列表”中选择需要驱动的伺服电机，“值”输入目标角度，不选择的伺服电机不被驱动。此模块会自动计算每次驱动时，每个伺服电机的步进量和间隔时间。一般情况下，多个不同差值的伺服电机驱动时，差值较大伺服电机旋转较快，差值较小的伺服电机旋转较慢，整体效果为同时到达目标角度。此模块为堵塞执行，执行时间为“驱动总时间”的设定时间。

当前角度：伺服电机在执行某种驱动之前时的角度，进入仿真后，所有伺服电机的“当前角度”为0°。

目标角度：伺服电机要旋转到的角度（范围-180° ~ +179°）。设置的目标角度小于-180°时，伺服电机旋转到-180°时不再旋转，大于179°时，转到179°不再旋转。

角度差：当前角度与目标角度的差值。

堵塞执行：模块的执行需要较长的时间，控制程序将等待其完成预定功能后才继续执行下面的模块。

1关于“堵塞执行”见“相关术语”中的解释
实例

此实例用不同的方式驱动机器人上安装的3个伺服电机，了解如何驱动伺服电机及不同驱动方式之间的差异。

仿真时，先使用“多伺服电机驱动”的方式将3个伺服电机直接驱动到30、60、90度，接着用“多伺服步进驱动”的方式将它们驱动到0、0、0度，再用同样的方式驱动到30、60、90度，最后用“多伺服总时间驱动”的方式将它们驱动30、60、90度。

机器人——“机器人-实例-伺服电机”。

控制程序——“程序-实例-伺服电机”。
 机器人

“机器人-实例-伺服电机”的机器人如图 3所示，安装方式可下载机器人文件后导入到仿真软件，在机器人编辑器中查看。

控制程序

“程序-实例-伺服电机”的流程和设置见图 4。

仿真视频