高性能磁編碼器怎樣應(yīng)對智能化工業(yè)機(jī)器人精度挑戰(zhàn)呢？

協(xié)作機(jī)器人是指在共享空間與人類對話，或近距離與人類安全工作生產(chǎn)物品的機(jī)器人。 1978年，廣島工廠的切割機(jī)器人在切割鋼板時將值班工人操作成鋼板，導(dǎo)致了悲劇的發(fā)生。 從此，工業(yè)機(jī)器人的安全性成為了所有機(jī)器人開發(fā)者都在努力研究的問題。 自1996年世界首個商業(yè)化人機(jī)協(xié)作機(jī)器人WAM機(jī)械臂在美國誕生以來，另一個核心問題是研發(fā)人員——如何在實現(xiàn)安全化的同時，提高生產(chǎn)效率，降低成本。

作為機(jī)電系統(tǒng)的外在表現(xiàn)形式，工業(yè)協(xié)作機(jī)器人的機(jī)械臂通常經(jīng)由變速器與電動機(jī)連接，為了實現(xiàn)電動機(jī)的精密控制和有效的換流，高分辨率電流和旋轉(zhuǎn)位置信息是重要的。 一般來說，在基于分解器的系統(tǒng)中，分辨率和精度可能非常高，但終端解決方案可能很貴，體積也很大。 無傳感器方式也可以用于檢測反電動勢電流，可以降低傳感器的重量和成本，但電動機(jī)的起動性能可能會成為問題。 利用3個霍爾效應(yīng)傳感器檢測電機(jī)磁鐵的位置，在成本敏感的應(yīng)用中普遍使用，需要監(jiān)視3個信號，因此經(jīng)常產(chǎn)生空間和安裝的問題。 ADI公司作為工業(yè)自動化領(lǐng)域半導(dǎo)體程序的專業(yè)制造商，提供基于各向異性磁阻(AMR  )技術(shù)的角度傳感器，通過ARM傳感器，不僅可以實現(xiàn)高角度精度，還可以得到非常小的傳感器子系統(tǒng)，并且可以實現(xiàn)momo

什么是AMR技術(shù)？

基于AMR理念的傳感器的材料電阻率取決于相對于電流方向的磁化方向。 該傳感器通常以薄膜磁導(dǎo)率合金(磁性鐵鎳合金)的形式堆積。 由于AMR傳感器在飽和狀態(tài)下工作，因此外部磁場有助于電阻的變化。 電流方向與外部磁場平行時電阻zui大，施加磁場與通電磁導(dǎo)率合金的平面垂直時電阻zui小。 當(dāng)兩個獨立的惠斯通電橋排列成相互成45時，可以實現(xiàn)角度傳感器，其正弦和余弦輸出依賴于外部磁場方向。 該結(jié)構(gòu)提供具有180絕對測量范圍的傳感器。

在目前的位置檢測技術(shù)中，各向異性磁阻(AMR  )薄膜材料變得越來越重要。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，磁阻(MR  )位置測量具有各種優(yōu)點。 可靠性、精度和整體魯棒性是推動磁阻檢測技術(shù)快速發(fā)展的主要因素。 低成本、比較小的尺寸、非接觸式操作、較寬的溫度范圍、對灰塵和光的敏感性、較寬的磁場范圍，將這些特性結(jié)合起來實現(xiàn)穩(wěn)健的傳感器設(shè)計。

決定機(jī)器人精度和再現(xiàn)性規(guī)格的因素機(jī)器人處于動作狀態(tài)時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速大多非?？?，而機(jī)械臂的運(yùn)動速度非常慢。 位置傳感器通常安裝在電機(jī)自身上，送回機(jī)器人控制器的關(guān)節(jié)角度解讀結(jié)果表示關(guān)節(jié)的位置，從電機(jī)角度傳感器直接解釋，或者在手臂側(cè)解釋。 機(jī)器人手臂側(cè)時，電機(jī)角度傳感器用于控制電機(jī)速度。 也有安全制動器，為了防止停電時斗桿整體倒下，將斗桿固定在適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

應(yīng)對高性能磁編碼器解決方案智能工業(yè)機(jī)器人精度的課題

工業(yè)機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)

重復(fù)性是機(jī)器人設(shè)計中zui常用的術(shù)語之一，當(dāng)機(jī)械臂總是回到同一位置后，用戶將在任務(wù)開始時進(jìn)行校準(zhǔn)，以保持一致性。 精度一詞常用來代替可重復(fù)性。 它是機(jī)器人技術(shù)等重復(fù)任務(wù)中zui重要的規(guī)格和重要的參數(shù)之一。 再現(xiàn)性高的系統(tǒng)被校準(zhǔn)，實現(xiàn)高絕對精度。

在理解了可重復(fù)的規(guī)格和機(jī)器人的作用范圍的基礎(chǔ)上，可以推測旋轉(zhuǎn)編碼器的規(guī)格。 伺服電機(jī)和機(jī)器人的關(guān)節(jié)一般有編碼器，變速器通過提高轉(zhuǎn)矩將電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為被控制的低慣性臂運(yùn)動。 由于機(jī)器人有多個關(guān)節(jié)，需要考慮機(jī)械公差，因此在將多個關(guān)節(jié)組合起來實現(xiàn)機(jī)器人在傳感器下的整體作用范圍時，關(guān)節(jié)的性能應(yīng)該比目標(biāo)角度的重復(fù)規(guī)格高。

具有可靠、準(zhǔn)確位置信息的AMR傳感器

ADI為成熟的磁編碼器解決方案提供了ADA4571 AMR角度傳感器形式的位置傳感器。 ADA4571通過高精度的位置反饋信息，可以提高電動機(jī)的換流性能，提高轉(zhuǎn)矩和速率性能的控制。 在低轉(zhuǎn)速的應(yīng)用中尤其如此。 該傳感器還支持zui大50，000r  pm的電機(jī)轉(zhuǎn)速，但角度直接測量原理可降低振動和噪聲效果，排除對電機(jī)性能的影響。 優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制能力有助于提高電機(jī)效率、減少排放和散熱、延長電機(jī)壽命。 此外，低位相位延遲(2s  )實現(xiàn)高速閉環(huán)控制，提高在工業(yè)伺服電機(jī)、機(jī)器人、電動轉(zhuǎn)向等高動態(tài)應(yīng)用中的響應(yīng)性。

應(yīng)對高性能磁編碼器解決方案智能工業(yè)機(jī)器人精度的課題

基于ADA4571 AMR角度傳感器的磁編碼器解決方案

與其他傳感器技術(shù)(霍爾/GMR/TMR  )不同，ADA4571不需要執(zhí)行振幅校正和正交性校正等附加校準(zhǔn)步驟。 生產(chǎn)測試驗證的寬度不一致確保不到1%，先進(jìn)的傳感器設(shè)計還能確保正交性。 傳感器的遲滯也可以忽略，得到高可靠性和正確的位置信息。對于不需要高精度、低性能、對成本敏感的應(yīng)用，ADA4571可以不用對線路終端進(jìn)行失調(diào)校正。 在這種情況下，ADA4571可以確保小于5的角度誤差。 這對于未校準(zhǔn)的應(yīng)用程序很有用，因為主機(jī)控制器知道軸的位置，可以優(yōu)化啟動情況。

應(yīng)對高性能磁編碼器解決方案智能工業(yè)機(jī)器人精度的課題

360機(jī)械旋轉(zhuǎn)時的ADA4571誤差(灰色)和輸出波形(橙色/藍(lán)色)

由于ADA4571能夠提供低延遲、準(zhǔn)確的位置反饋信息，因此能夠準(zhǔn)確控制電機(jī)各相的電流，使電機(jī)對動態(tài)負(fù)載做出順暢的響應(yīng)，或者在變化的條件下維持恒速。 結(jié)果，可以得到更好的控制、zui大轉(zhuǎn)矩、更高的啟動/停止效率、更好的運(yùn)行狀況。

總結(jié)

智能機(jī)器人是工廠數(shù)字化的重要因素，但在檢測精度、測量、安全性、通信、機(jī)械可靠性、電力效率等許多方面都需要進(jìn)步。 從處理核心電機(jī)控制和運(yùn)動控制的伺服驅(qū)動器開始，工業(yè)應(yīng)用、無線網(wǎng)絡(luò)、ADI公司在機(jī)器人的所有這些領(lǐng)域或子系統(tǒng)中都有完整的解決方案，促進(jìn)了數(shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)行業(yè)深度的融合，實現(xiàn)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)型的升級，

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