(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050)

基于DD馬達(dá)的低成本高精度角度傳感器檢測轉(zhuǎn)臺的設(shè)計(jì)

賈玉柱趙磊

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050)

軸角傳感器應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，其精度和性能具有重要的作用，需要高精度的檢測轉(zhuǎn)臺進(jìn)行評估和標(biāo)校。針對傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)加工難度大、工程成本高昂等問題，文本提出了利用DD馬達(dá)和手動(dòng)精密XY滑臺相結(jié)合的方式，以STM32F107ARM芯片作為控制核心，設(shè)計(jì)了一種低成本、高精度、操作簡便、通用性強(qiáng)的單軸軸角傳感器檢測轉(zhuǎn)臺，可自動(dòng)對傳感器軸角進(jìn)行信息采集、誤差分析及存儲，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，可適用于一般的科研院所和中小企業(yè)。

軸角傳感器；DD馬達(dá)；滑臺

角度傳感器適用于汽車、工程機(jī)械、宇宙裝置、導(dǎo)彈、飛機(jī)雷達(dá)天線的伺服系統(tǒng)以及注塑機(jī)、木工機(jī)械、印刷機(jī)、電子尺、機(jī)器人、工程監(jiān)測、電腦控制運(yùn)動(dòng)器械等需要精確測量位移的場合，其精度和可靠性對設(shè)備的性能有著重要和直接的影響?，F(xiàn)在的角度傳感器分門別類，生產(chǎn)廠家眾多，怎樣才能評測傳感器的性能或者設(shè)計(jì)開發(fā)傳感器？檢測轉(zhuǎn)臺是必要的設(shè)備的。但一談到轉(zhuǎn)臺，動(dòng)則幾十萬到上百萬，這對于中小公司和一般用戶是無力承擔(dān)的。本文設(shè)計(jì)了一款低成本高精度的軸角傳感器檢測轉(zhuǎn)臺。

1 DD馬達(dá)

DD motor從字面上理解是直接驅(qū)動(dòng)馬達(dá)(direct driver)，但實(shí)際上它并非是普通馬達(dá)，而是一種結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，高精度、高性能的特殊型交流馬達(dá)。之所以稱之為直接驅(qū)動(dòng)，因?yàn)樗扇∞D(zhuǎn)子和運(yùn)動(dòng)載體直接連接的方式，中間不再用其他的過渡連接(減速機(jī)構(gòu)，聯(lián)軸器等)。DD馬達(dá)結(jié)構(gòu)為外轉(zhuǎn)子形式，與內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的普通馬達(dá)不同，特別是其采用的向心軸承可承受一定的軸向力。其編碼器為光電型編碼器，一般為500，000ppr以上，并帶有原點(diǎn)和限位輸出。由于高水準(zhǔn)的制造工藝保證和高精度的測量反饋，此種馬達(dá)的定位精度可達(dá)秒級[1]。本設(shè)計(jì)中采用NSK公司的M-PS3030KN002型DD馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)器采用該公司的EDC-PS3030AB501，馬達(dá)的回轉(zhuǎn)位置檢出器分辨率為2621440計(jì)數(shù)/圈，重復(fù)定位精度為±2″，絕對定位精度±45″。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1中所示，檢測轉(zhuǎn)臺主要由支撐架、DD馬達(dá)(M-PS3030KN002)、DD馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器(EDC-PS3030AB501)、導(dǎo)電滑環(huán)、xy高精度滑臺、千分表、上下死頂和帶液晶的控制器組成。支撐架起到固定上述設(shè)備，保證初始粗精度，設(shè)計(jì)成一邊開放式結(jié)構(gòu)，便于傳感器的安裝、調(diào)試；DD馬達(dá)既能帶動(dòng)被測角度傳感器旋轉(zhuǎn)，又起到高精度數(shù)字分度頭的作用，其內(nèi)部的光柵角度傳感器，具有足夠高的精度，可用于市面上絕大部分角度傳感器的標(biāo)校。DD馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器采用優(yōu)化的PID算法，對馬達(dá)可進(jìn)行絕對角位移控制和增量控制兩種形式，使用靈活、控制精度高；導(dǎo)電滑環(huán)解決旋轉(zhuǎn)過程中，防止絞線的發(fā)生，可多圈、高轉(zhuǎn)速測試傳感器，保障帶電測試的安全性。上下安裝的XY滑臺，可在5mm范圍內(nèi)移動(dòng)死頂，改變角度傳感器上下端軸與DD馬達(dá)的同心度問題，結(jié)合千分表可使同心度的偏差在0.1絲以內(nèi)；控制器主要是向DD馬達(dá)發(fā)送控制指令，采集記錄反饋的DD馬達(dá)和被測角度傳感器的軸角，并向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，液晶可顯示采樣結(jié)果，方便人員實(shí)時(shí)監(jiān)控，經(jīng)過合理的編制控制程序，整個(gè)設(shè)備可無人值守，解決了檢測人員勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題。

圖1 檢測轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)圖

2.2 電路設(shè)計(jì)

電路主要由STM32F107ARM核心電路、解碼電路、RS-232通信電路、按鍵控制電路、液晶顯示電路、SD卡存儲電路、電源電路組成，如圖2所示。 STM32F107是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的具有ARM32位Cortex—M3內(nèi)核的一款芯片，主頻可達(dá)72MHz；Flash的容量從64～256K，SARM的容量為63K；具有豐富的通信資源，最多有5個(gè)USART串口，3個(gè)SPI口，2個(gè)CAN口，1個(gè)以太網(wǎng)口。以此芯片為控制器，可運(yùn)行較為復(fù)雜的算法，對傳感器進(jìn)行標(biāo)校和評估。解碼電路是把被測傳感器輸出的角度信息轉(zhuǎn)化成STM32F107所能接受的形式。RS-232通信電路是建立控制器和DD馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的通信接口。按鍵控制電路是輸入控制指令。液晶顯示電路是顯示軸角的標(biāo)校信息。SD卡存儲電路可以對標(biāo)校信息進(jìn)行存儲，可以無人值守，進(jìn)行連續(xù)檢測。電源電路可以提供所有電路所需要的直流電源，直流電有24V、12V、5V、3.3V四種，24V是供給DD馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的控制輸入端，12V供給軸角傳感器，3.3V供給STM32F107ARM核心電路，5V供給剩余電路。

2.3 RS-232串口配置

驅(qū)動(dòng)器可工作在串口命令方式、脈沖驅(qū)動(dòng)方式和程序方式，因串口驅(qū)動(dòng)方式最全面，即可靈活地改變參數(shù)設(shè)置，又可得到豐富的位置反饋信息，所以本設(shè)計(jì)中采用串口的控制方式。EDC-PS3030AB501的RS-232串口的參數(shù)為9600bps、8位數(shù)據(jù)、2位停止位、無校驗(yàn)位、采用ASCII碼。RS-232串口的線路定義上與常見的不同，如圖3所示。ARM中的RS-232通信，只需要TXD、RXD和GND三根線即可，因此對圖3中的線路進(jìn)行改造，保留圖3中電腦端的2、3、5號線，分別與驅(qū)動(dòng)器端的1、3、6相連，把驅(qū)動(dòng)器端的2、7號短接，即可保證正常通信[2]。

圖3 RS-232串口接線圖

2.4 CN2輸入輸出口配置

有了以上的設(shè)置還不能驅(qū)動(dòng)DD馬達(dá)，必須對驅(qū)動(dòng)器EDC-PS3030AB501的CN2輸入輸出口進(jìn)行合理的配置。CN2口的定義如圖4所示。需要將1、2針腿接24V電源正極，3、5、6、7針腳接24V電源負(fù)極。對驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行220V交流供電后，驅(qū)動(dòng)器面板上的單數(shù)碼管將會(huì)顯示一個(gè)O、綠燈亮，表示驅(qū)動(dòng)器可以正常工作了，配置不正確就會(huì)顯示故障代碼，同時(shí)紅燈亮。完成以上的配置，就可以通過串口發(fā)送ASCII碼指令，對DD馬達(dá)進(jìn)行靈活控制了。

配置正確后，初始上電，RS-232串口上位機(jī)就會(huì)收到驅(qū)動(dòng)器的信息：

: NSK MEGATORQUE

XSYS3030.2,X0P0

DC1A80_0008.7

:

向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送命令，例如“IR10RN