基于小模數減速器兩冗余多圈絕對編碼器研制

熊 偉,王 臻,馬亞軍,侍 威,李文璋

(北京精密機電控制設備研究所，北京 100076)

0 引言

隨著現代伺服技術的發展，伺服系統對配套使用的角位移傳感器提出更高要求：結構更加小巧、可靠性更高、環境適應性更好、轉速更高。為了能夠適應惡劣的工作環境和有限的空間結構，要求電機低速精確控制和高速準確定位,這使得伺服技術迫切需要高性能的電機反饋系統。多圈雙冗余絕對式高速編碼器技術的研究和應用是解決現代伺服技術測量和反饋的目的。

由于絕對式編碼器廣泛應用于伺服電機轉速測量與系統的閉環控制，其可靠性直接影響伺服系統的性能及可靠性。隨著伺服系統對產品可靠性的要求越來越高，在伺服電機轉速測量及反饋中，對角位移傳感器在結構空間和重量的提出了非常嚴格的限制，要求軸向高度不大于22.5 mm，直徑不大于50 mm的空間范圍實現結構合計，滿足編碼主軸輸入8 000 rpm高轉速的多圈絕對測量，14位的分辨率，兩冗余設計，并且產品總重量不能大于60 g，現有的電位計是角線位移傳感器無法滿足要求，因此需進行編碼器技術研究，新研兩冗余編碼器試驗已滿系統性能指標要求[1]。

1 編碼器總體方案設計

兩冗余絕對式編碼器用于各級伺服電機角度絕對位置測量和反饋控制。編碼器實現多圈絕對角度測量，并且在供電斷開后，能夠依靠機械裝置記憶零位信息。

編碼器采用霍爾編碼器原理[2]，在大于±64圈測量范圍內實現絕對編碼。在單圈磁編碼器的基礎上，通過小模數機械齒輪減速器實現編碼器在大于±64圈內絕對編碼。為了提高系統的可靠性要求，采用了兩冗余設計方案，SPI接口輸出，系統框圖如圖1所示。

圖1 雙冗余多圈絕對式編碼器系統框圖

為了實現主軸輸入8 000 rpm的轉速測量，多圈編碼器采用了自帶小模數減速器設計，通過小模數減速器實現了多級減速，利用3個AS5048A芯片分別進行計圈測量和0～360°內角度計量并冗余測量，編碼器輸出測量角度由圈數角度與0～360°內的角度之和組成，基于SPI接口模式進行通訊傳輸。

精密齒輪箱中一級減速和二級減速的減速比都是4：1，一級減速是為了測量0～360°內的位置磁鋼1安裝，二級減速是為了0～360°位置冗余磁鋼2安裝，一級減速器和二級減速器對應位置冗余測量。三級減速的減速比是152：1，三級減速器處安裝磁鋼3用于計圈用。編碼器的最終解算角度為一級減速器處對應AS5048A的讀數θ1加上三級減速器處對應的S5048A讀數θ3合成。

2 編碼器方案實施

2.1 系統原理

編碼器采用了奧地利AMS公司的磁敏感芯片AS5048A。AS5048是一個360°內的角度位置傳感器，具有14位高分辨率輸出[3]。該系統通過外部微控制器線性化和平均可以實現最大精度為0.05°。編碼器原理是AS5048A敏感感應磁鐵的磁場變化，并通過AS5048A內部的SigmaData模數轉換器及數字信號處理算法處理后，由SPI接口輸出高精度的角度信息，AS5048A控制模塊訪問AS5048A的內部寄存器，對AS5048A進行配置，配置成功后，獲得測量的角度信息及表征磁場大小數據，原理結構如圖2所示。零位可以通過SPI進行編程，簡化了整個系統，因為零點位置的組裝磁體不需要機械地對準，這有助于編碼器的系統安裝和調試。AS5048A芯片的內部結構如圖3所示。

圖2 原理結構圖

圖3 AS5048A芯片內部結構圖

雙冗余編碼器工作原理：AS5048A芯片通過霍爾陣列傳感器檢測垂直于芯片表面的磁場By變化來解算對應的碼值實現絕對編碼。圖4所示為磁鋼磁場分布圖，其中X表示為平行AS5048A表面的方向，Y表示垂直AS5048A表面的方向。圖5是AS5048A芯片磁道分布原理圖。由于AS5048A是14位的分辨率，在360°范圍內均分，實現214=16 384個碼值。

圖4 磁鋼磁場分布圖

圖5 AS5048A芯片磁道分布原理圖

每個碼值對應的角度為：

圖中By處對應的碼值數為M，角度θ。

2.2 編碼器結構設計

兩冗余多圈絕對編碼器設計原則是體積小，質量輕的，編碼器主要由：殼體、空心軸、機械齒輪減速器、磁鋼、螺釘、電路系統、導線組成，編碼器的外形結構尺寸如圖6所示，外形結構尺寸為φ50×22.5(mm)，減速器的軸向高度為10.2 mm。

圖6 編碼器三維結構圖

編碼器結構設計原則主要有以下幾個方面：

1)體積小,空間設計尺寸為φ50×22.5，質量不大于0.06 kg。

2)齒輪阻力小，齒輪采用非導磁材料Peek，該材料含有石墨稀成分，有助于自潤滑，減小齒輪轉動阻力且非導磁，不會造成磁鋼周圍磁場分布改變。

3)主軸的軸向±1.5 mm移動量，確保電機軸的軸向竄動不會影響減速器的性能。

2.3 小模數減速器設計

2.3.1 齒輪軸系傳動設計及布置優選

減速器傳動比初步設計及強度初校核可以發現：齒輪采用0.25模數時最小齒輪直徑為4.5 mm，齒數為7個，齒數較少，應優化減速器軸系布局，增大傳動軸系中最小齒輪的齒數[4]；

2.3.1.1 配齒設計

要求：計圈數的編碼器芯片放到減速器末端軸上，到中心空心軸減速比不小于128，不大于160；計位置的兩個編碼器芯片到中心空心軸減速比不小于2，不大于6[5]。

計圈數的編碼器芯片放到減速器末端軸上，到中心空心軸減速比為152；計位置的兩個編碼器芯片到中心空心軸減速比分別為4，2.5。

2.3.1.2 結構設計

1)行程設計:

輸入軸1駛向減速箱方向極限行程為2.2 mm，允許行程1.5 mm，當輸入軸往減速箱內部移動1.5 mm時，輸入軸1與齒輪2實際嚙合齒長為1.5 mm；

輸入軸1遠離減速箱方向行程：1.6 mm；正負向行程設計滿足要求。

2)減速比設計：按表1設計，滿足要求。

表1 減速比設計分配

3)最高轉速設計：

減速器配速設計主要是滿足輸入軸8 000 rpm高轉速測量，減速器的三級減速比分別為一級減速比為4：1，二級減速比為2.5：1，三級減速比為152：1。一級減速和二級減速是為了實現冗余設計，由于AS5048A芯片在轉速越高的情況下分辨率會下降，為了提高分辨率，各級減速后的轉速不能超過4 000 rpm，在空間結構約束的條件下，通過優化設計后各級齒輪轉速均不超過4 000 rpm。各級齒輪轉速分配設計[6]，按照表2所示。

表2 最高轉速設計分配

圖7 遠離減速箱方向行程

圖8 駛向減速箱方向行程

4)重量設計：重量設計值為0.019 9 kg=19 g；輸入軸1采用17-4不銹鋼材質，硬度38～42 HRC；其余齒輪采用PEEK聚醚醚酮材質；定位銷釘(直徑2 mm)采用40Cr材質，表面氮化處理；箱體采用鋁合金7075-T6狀態材質，表面硫酸氧化處理。

5)重要尺寸設計:減速器的軸向高度為上端面最高處到底座上端面的高度為減速器的高大高度，最大高度尺寸設計值為10.2 mm，小于任務書要求12.75 mm。

2.3.2 小模數減速器有限元仿真分析

1)小模數減速器模態分析:

模態分析用于確定零部件的固有頻率，避開這些頻率或者最大限度地減少對這些頻率上的激勵，從而消除過度振動和噪聲。對于該編碼器齒輪系，由于工作在空載下，因此可能存在的激勵是齒輪嚙合時帶來的影響，即齒輪嚙合頻率，模態分析的工作就是要使模態頻率避開該輪系的嚙合頻率。

在仿真分析中各齒輪采用peek材料，底板采用鋁合金[7]。通過對三位模型進行有限元網格建模。

齒輪嚙合接觸面設為摩擦接觸，摩擦系數設為0.2，齒輪軸與底座設為無摩擦接觸，其余接觸面設為綁定接觸。將底板中心軸內孔表面固定(假設與電機輸出軸固結)，以此為邊界條件，計算編碼器前六階模態：

編碼器一階共振頻率表現整個編碼器沿電機軸孔的扭轉振動，扭轉模態在實際工況下很難被激勵。

圖9 第一階模態 2 352 Hz 圖10 第二階模態 2 404 Hz

編碼器二階共振表現為整體的擺動，這種擺動是齒輪系隨底板一起的因此不會影響內部齒間的嚙合。

第三階與第二姐模態屬于同一種模態，只是方向不同，是由于編碼器的齒輪系并不對稱。

圖11 第三階模態2 498 Hz 圖12 第四階模態 4 752 Hz

第四階模態表現為底板的上下伸縮振動，該模態較為危險，因為在底板的彎曲過程中，極有可能出現齒脫開的情況從而影響正常工作狀態。

從振型和特征頻率可以看出，第五階模態展現為底板的彎曲，與第四階模態一樣極有可能造成齒輪間的脫開，也是較危險的模態。

圖13 第五階模態 6 120 Hz 圖14 第六階模態 6 581 Hz

第六階模態表現為依然是底板的彎曲振動，但與第五階模態方向不同。

對正常工作狀態下的編碼器，嚙合頻率為轉頻與齒數的積，互相嚙合的齒嚙合頻率相同，因此采用第一個齒計算：齒數為24，轉速為8 000 rad/m，嚙合頻率：

f=24×8 000/60=3 200 Hz

轉頻與各階模態頻率均較遠，因此不會出現共振的影響。

2)編碼器精密小模數減速器輸入端齒輪接觸應力分析:

由于該編碼器并沒有負載，因此不存在負載轉矩，在仿真接觸應力和后續的瞬態分析時，均采用選定電機的輸出轉矩，根據選擇的相關電機，其輸出扭矩為1.3 mm*N。以該扭矩為輸入力矩，分析輸入端第一齒和第二齒的接觸應力，通過對第一、第二齒輪有限元網格建模，進行接觸應力仿真分析。

圖15 接觸應力

仿真結果顯示，最大應力出現在嚙合齒的齒根處，這與實際情況相符合。最大應力為1.6 Mpa,所選peek能滿足應力極限要求。

3)仿真結論分析:

該仿真分析中，采用的是約束模態，具體對照實際的工作狀態，即編碼器套在電機輸出軸上，因此在仿真分析中，固定編碼器底板接電機軸孔內表面能對應實際的工作狀態。由編碼器整體的模態分析結果來看，前幾階模態主要表現為電路板的振動，因為電路板在設計中是由三根螺栓固定，該支撐方式使得電路板的彎曲特征頻率較低。電路板的振動本身不會直接影響齒輪系的工作狀態，但支撐條件使得電路板的彎曲會帶動機殼，底板彎曲，而底板的彎曲極有可能使齒輪嚙合脫開，從而影響工作性能。雖然由計算結果可知，第四階模態頻率與最高轉速下齒輪的嚙合頻率接近，但這在后續的布置中可以避免。具體的措施是，在支撐板和電路板之間增加支撐柱，可以改變相應的電路板彎曲頻率，如果需要，甚至可以完全消除電路板的彎曲模態。

對齒輪系本身的模態，最低階的齒輪軸彎曲模態已經遠遠高于嚙合頻率，因此齒輪系本身不會出現共振，是足夠安全的。至于接觸應力，由于該編碼器工作在空載下，電機的驅動力矩遠遠達不到使齒輪失效的值，因此安全系數是足夠高的。

2.4 電路系統設計

多圈絕對式編碼器主要由電源變換電路、角度采集電路、微處理器電路、通信接口電路組成。微處理器電路由SPI接口采集AS5048A的角度信息并進行存儲，通過通信接口電路接受驅動控制器的模式指令，解析后，將角度、參數等信息反饋給驅動控制器。編碼器的主控部分選擇了STM32的最小系統[8]，主要完成信號采集、信號處理、信號傳輸的控制。該芯片具有高性能、低成本、低功耗的特點[9]。

接口電路選擇了MAX3485 RS-485收發器實現收發信號的轉換。電路中使用RE-DE來控制數據DATA的雙向傳輸。

3 實驗結果與分析

動態性能試驗是伺服系統對編碼器性能考核的最重要試驗，動態性能試驗對編碼器全面性能進行的考核，試驗數據和海德漢同類編碼器EQI1131進行性能特性比較分析[10]。動態試驗方案：在整機伺服電機測試平臺下，通過將海德漢編碼器和自研編碼器直接安裝在電機尾端。利用整機系統控制器驅動伺服電機，帶動編碼器轉動，利用整機系統測試儀，觀測編碼器位置特性數據，對比海德漢編碼器實驗數據。動態試驗系統的實物組成圖如圖16所示，該圖是基于AS5048A編碼器試驗圖，海德漢編碼器試驗圖將圖中編碼器換成海德漢編碼器EQI1131。分別進行了位置特性(0.02 Hz,10 V)，暫態特性(1.00 Hz)，頻率特性0.35°試驗，試驗對比數據如表3所示。

圖16 動態系統實物組成圖

表3 位置特性數據對照表

結論：對比表中5048A編碼器和海德漢編碼器位置特性數據，5048A編碼器和海德漢數據差異很小，其中關鍵指標回環寬度，線性度，位置對稱度均滿足系統指標要求，且線性度和位置對稱度優于海德漢的同類產品EQI1131，且所有指標均可以滿足伺服系統要求。

表4 暫態特性數據對照表

結論：對比表中5048A編碼器和海德漢編碼器暫態特性數據，5048A編碼器和海德漢數據差異小，其中最大線速度反應了編碼器在最大速度下線性特性良好，所有性能指標均可以滿足伺服系統要求。

對比表5中5048A編碼器和海德漢編碼器頻率特性0.35°數據，5048A和海德漢數據差異小，5048A編碼器的幅頻特性數據沒有超差項，且相頻特性沒有出現相位超前或者滯后項，所有數據指標均可以滿足伺服系統要求。系統動態特性試驗完成了位置特性(0.02 Hz,10 V)，暫態特性(1.00 Hz)，頻率特性0.35°試驗，是量化伺服系統性能的重要指標，試驗中5048A編碼器所有性能指標滿足伺服系統要求，同時達到海德漢編碼器EQI1131的性能指標。

表5 頻率特性0.35°數據對照表

4 結束語

小模數減速器兩冗多圈余絕對編碼器研制是由于傳統的電位計式角位移傳感器難以滿足新型航天伺服型號的發展需求，在單圈編碼器的基礎上進行的改進性優化設計用于伺服系統的配套測量和反饋。小模數減速器兩冗多圈余絕對編碼器采用了小模數減速器設計，實現主軸8 000 rpm的高轉速輸入，通過三級減速冗余，位置和圈數的測量功能，達到了海德漢同類編碼器性能指標。試驗驗證了設計方案的有效性。能夠滿足伺服系統的可靠性和環境適應性要求，對伺服測量系統的可靠性和實現全性具有重要意義，從而具有重大的社會、經濟效益和推廣價值。