Theo dõi xoay với độ chính xác cực cao

Tôi muốn theo dõi vị trí góc của một cánh tay quay có động cơ khá chậm (truyền động trực tiếp; xem hình minh họa bên dưới) - nhưng yêu cầu độ chính xác góc dưới 0,05 ° và độ phân giải tương tự.

Như @gbulmer đã lưu ý trong các nhận xét, tương đương với việc theo dõi đầu cánh tay theo vị trí dọc theo chu vi, với độ chính xác là (2 × π × 10cm) / (360˚ / 0,05) = 0,08 mm.

Có bất kỳ cảm biến hoặc phương pháp điện tử hiện tại nào có thể đạt được mức độ chính xác này trong cảm biến quay mà không tốn nhiều tiền không?

Đây là những gì tôi đã cố gắng cho đến nay, từ đơn giản nhất đến phức tạp:

• La bàn kỹ thuật số / từ kế: Tôi bắt đầu với điều này; nhưng rõ ràng không nơi nào gần hiệu suất mà tôi đang tìm kiếm.

• Mã hóa quay: Mã hóa dựa trên Potentiometer / Hall-Effect-cảm biến: Không thể có đủ độ phân giải và có lỗi tuyến tính đáng kể.

• Tầm nhìn của máy: Đã thử đặt một điểm đánh dấu quang học trên đầu cánh tay (vì đầu mũi dấu vết vòng cung dài nhất) và sử dụng máy ảnh (OpenCV) để theo dõi vị trí của người đánh dấu: không thể giải quyết các vòng quay rất nhỏ, do các nhịp xoay của cánh tay diện tích 10 x 10 cm.

• Bộ mã hóa từ tính: Tôi hiện đang điều tra việc sử dụng AS5048, một bộ mã hóa từ tính từ AMS, được đặt ở vị trí trung tâm của cảm biến ở vị trí trục của động cơ. Một cái gì đó như thế này:

Những gì bạn đang làm là có thể, nhưng tôi không thấy cách bạn sẽ làm nó với giá rẻ.

0,05 độ (3 phút cung) ngụ ý độ phân giải 7200 đếm / vòng, hoặc tương đương với 13 bit (8192). Tồi tệ hơn, vì bạn đang cố gắng tạo một vòng lặp vị trí, bạn sẽ cần ít nhất một bit độ phân giải bổ sung hoặc hệ thống 14 bit. Vấn đề nằm ở chỗ, vòng lặp vị trí của bạn không thể phát hiện ra lỗi nhỏ hơn một bit, vì vậy nếu cánh tay bắt đầu trôi thì cảm biến góc sẽ không phát hiện ra cho đến khi đầu ra bị tắt một bit. Vòng lặp vị trí sẽ điều khiển cánh tay quay lại theo cách khác và sẽ dừng lái xe khi lỗi giảm xuống không. Nhưng điều này sẽ cho phép cánh tay xoay theo cách khác cho đến khi nó có số đếm theo hướng ngược lại, v.v. Vì vậy, ví dụ, nếu bạn muốn cánh tay duy trì số lượng cảm biến là 100, hệ thống có thể tạo ra 100, 101, 100 , 99, 100, v.v.

Tôi đề nghị rằng một bộ mã hóa quang là đặt cược tốt nhất của bạn, nhưng bộ mã hóa 14 bit (16.384 ppr) sẽ không rẻ. Một khả năng khác là bộ giải quyết hoặc đồng bộ hóa, với RDC hoặc SDC (bộ chuyển đổi / bộ chuyển đổi kỹ thuật số hoặc bộ chuyển đổi đồng bộ / kỹ thuật số) như một khả năng thứ hai, nhưng điều này sẽ có giá cao hơn. Synchros / bộ giải có 2 nhược điểm. Đầu tiên, chúng thường được thay thế bởi các bộ mã hóa quang học, vì vậy những gì bạn sẽ tìm thấy trên thị trường hầu hết là các đơn vị dư thừa. Thứ hai, độ chính xác thường không đầy đủ. Độ phân giải kích thước 23 thường được đánh giá ở khoảng 5-10 phút cung, vì vậy bạn sẽ cần một đơn vị có độ chính xác cao và may mắn tìm được một đơn vị.

Inductosyn sẽ cung cấp cho bạn độ phân giải và độ chính xác đặc biệt, nhưng sẽ có giá cao hơn cả bộ mã hóa quang học. Về cơ bản, bạn cần một RDC tốc độ cao để đọc đầu ra.

Mối quan tâm của bạn về độ chính xác của bộ mã hóa quang học được dựa trên giấy của một nhà sản xuất cụ thể, nhưng về cơ bản đó là một phần đáng sợ. Các khả năng lỗi là như nhau đối với mọi nhà sản xuất và nhà sản xuất được liên kết không bằng cách nào đó tốt hơn các nhà sản xuất khác. Nói chung, đối với các bộ mã hóa chính xác, độ chính xác cũng giống như độ phân giải.

Mặc dù có thể nhận được bộ mã hóa quang học với đầu ra song song, nhưng có lẽ bạn nên sử dụng bộ mã hóa gia tăng và cuộn bộ đếm lên / xuống của riêng bạn. Nếu bạn đi theo tuyến đường này, bạn sẽ sử dụng tín hiệu "nhà" để đặt lại bộ đếm vị trí mỗi khi bạn bật hệ thống.

Tôi nghĩ những gì OP đề xuất không phải là một ý tưởng tồi. Những gì anh ấy muốn sử dụng là chiếc nhẫn đã sẵn sàng: http://ams.com/eng/Sản phẩm / Vị trí-Bộ cảm ứng / Ram5000-MR10-128 , nó có 128 cực = 64 cặp cực. Độ phân giải là 16 bit = 65536, tối đa 305 vòng / phút.
Nếu bạn tách rời một bộ mã hóa quang có độ phân giải cao, bạn sẽ thấy rằng gần như không thể căn chỉnh máy dò mà không có các công cụ đặc biệt, thực sự sử dụng phương pháp mới này làm cho việc này rất đơn giản.
Bạn sẽ cần một máy tiện để tạo ra một vòng phù hợp cho vòng và sau đó đặt cảm biến ở khoảng cách gần, không cần phải căn chỉnh đặc biệt. Bản thân cảm biến có các phiên bản kit đã được hàn trên bảng đột phá, thứ bạn cần là một cảm biến tham chiếu bổ sung - một khoảng trống với bộ tách sóng quang, sau đó bạn có thể tham chiếu bộ mã hóa trong một cặp cực với kết hợp đầu ra chỉ số + cảm biến ref.

Vì đó là một câu hỏi động não và WhatRoughBeast đã đề cập đến mọi thứ tôi sẽ xem xét, tại sao không thêm các ổ đĩa hài vào danh sách? Về lý thuyết (tôi chưa kiểm tra các ước tính thực nghiệm hoặc tính toán đầu tiên), nó cho phép bạn có được tỷ lệ truyền động 20: 1 một cách dễ dàng mà không có bất kỳ phản ứng dữ dội nào (phổ biến 100: 1), đưa số bước cần thiết xuống 720 / vòng . Có thể là một cái gì đó đáng để xem xét. Ổ đĩa hài không rẻ, nhưng chúng thường rẻ hơn nhiều so với cảm biến có độ phân giải cao, đặc biệt là đối với tỷ số truyền này.

Nếu bạn cần độ phân giải trên trục đầu ra tương ứng với 13 bit, bạn cần thêm bit, thì ít nhất 1 bit cho điều khiển vòng kín là bắt buộc. Vấn đề tiếp theo là các nhà sản xuất quảng cáo độ phân giải nhưng không quảng cáo chính xác . Bạn cần hỏi kiên trì cho chính xác. Nếu lỗi có thể lặp lại, bạn có thể cải thiện bằng cách sử dụng phần mềm sửa lỗi.

Một vấn đề khác nếu bạn cần giải pháp ngoài trời nhiệm vụ nặng nề. Nếu có thì bộ mã hóa từ tính là một lựa chọn. Nhưng bộ mã hóa từ tính có thể có lỗi định kỳ lặp lại đáng kể, mà bạn cần loại bỏ trong quá trình hiệu chuẩn bằng cách sử dụng một bộ mã hóa quang học mở rộng khác. Nhưng bạn cần một khuôn làm độ chính xác cao hơn.

Nội suy Sin / cos (của quang học hoặc từ tính) làm tăng độ phân giải nhưng cũng thêm một số lỗi ngẫu nhiên.

Bạn phải có khả năng sản xuất với độ chính xác mong muốn, độ đồng tâm hạt. Ngoài ra, bạn cần xem xét băng thông vì khi bạn tăng độ phân giải thì chuyển động nhanh hơn có thể vượt quá băng thông cho phép (ví dụ: tần số của đầu ra cầu phương). Ngược lại, điều khiển chuyển động cực chậm là kỷ luật anothe nơi người ta có thể tìm thấy những vấn đề thú vị chưa được công bố.

Nếu bạn cần xoay tay điều khiển (không chỉ vị trí theo dõi) thì độ phân giải của ổ đĩa trực tiếp và mô-men xoắn là vấn đề. Vòng lặp kép giúp điều khiển nhưng yêu cầu động cơ (bộ mã hóa trong trường hợp hộp số hoặc đếm các bước trong trường hợp bước) và cảm biến vị trí trục.

Bộ mã hóa tăng dần so với tuyệt đối cũng là quyết định cơ bản.

Lời khuyên chung là: nếu bạn muốn hoàn thành dự án thì hãy sử dụng các thành phần chuyên nghiệp có giá cao (ví dụ: bộ mã hóa quang học Renishaw ATOM). Nếu bạn đang chơi vì niềm vui và thời gian không quan trọng thì bạn có thể thưởng thức các vấn đề phát minh lại (phát hiện ra vấn đề), khám phá các vấn đề không thể sửa chữa, v.v. Kiểm tra kỹ xem bạn có thể sản xuất bộ máy với độ chính xác cần thiết hay không.

Có vẻ hoàn toàn phù hợp cho một caliper kỹ thuật số, thường được sử dụng để đo khoảng cách chính xác, xem:

Làm thế nào để một caliper điện tử làm việc?

Chúng tương tự như các bộ mã hóa điện dung (mà bạn đã thấy trong http://www.digikey.com/en/articles/techzone/2012/apr/a-designers-guide-to-encoders ).

Phần điện tử của một thước cặp kỹ thuật số tuyến tính có thể được sử dụng lại, vì vậy bạn chỉ cần tạo một đĩa bằng một phần tư với mẫu chính xác.

PS: Độ chính xác thậm chí sẽ cho phép bạn làm việc với một tuyến tính ngoài luồng.

Đây là ý tưởng mới của tôi, tuy nhiên, một câu chuyện động cơ bước khác :-)

Nhấp vào hình ảnh hoạt hình để xem độ phân giải đầy đủ chưa được chỉnh sửa. Ở đây bạn sử dụng động cơ bước như một người cai trị đi du lịch. Có một nam châm trên đầu của bàn tay chính. Các đường màu đỏ cho thấy hướng dự kiến ​​của từ thông. Giả sử động cơ bước giống như trên wikipedia. Nó có 3,6 độ của một bước đầy đủ. Đối với phần tuyến tính giả định của trường, bạn cần 3,6 / 0,05 = 72 kết hợp 7 bit. Điều đó có nghĩa là ADC 10 bit của MCU thông thường sẽ thực hiện công việc cho phạm vi phi tuyến lớn hơn rất tốt. Khi bạn đã thực hiện cơ chế này, hãy phân tích mẫu gần đúng và chọn phần tuyến tính nhất, với một số ánh xạ phần mềm sắp xếp nó và chọn đường viền thước cho thiết lập cụ thể đó.

Các động cơ bước không hoàn hảo. Theo wikipedia họ có thể có tới 5% phương sai giữa các răng. Để đo lỗi, bạn có thể mở rộng các đường viền chính của thước kẻ với các đường viền phụ, chỉ cần tuân theo mô hình độ dốc của phân tích trước đó về đường viền lân cận của nó.

Ngoài ra, tốt hơn hết bạn nên lái mô tơ bước có vi bước để tránh tăng tốc +/- có thể ảnh hưởng đến quy mô thiết lập, tôi nghĩ ít nhất bạn phải thực hiện nửa bước.

Đối phó với cơ học, bắt đầu với cơ học đầu tiên.

Xoay bánh răng lớn (R2) cho một góc, bánh răng nhỏ (R1) quay cho góc R2 / R1 lớn hơn.

Do đó, nếu bạn xử lý độ chính xác góc cực cao trên bán kính cho (R), bạn có thể xử lý độ chính xác góc thô hơn n lần trên bán kính nhỏ hơn n lần (tức là R / n).

Trong trường hợp của bạn, bạn có thể cài đặt một bánh răng lớn trên trục của cánh tay và gắn một bánh răng nhỏ hơn vào nó và sau đó giao tiếp một cảm biến thô hơn với bánh răng nhỏ.

Nhiều phương pháp thiết bị khác được biết đến và hữu ích, bắt đầu từ wiki .

Bạn nên tạo một cơ chế thứ hai trên cạnh của bàn tay, để phân chia các bước của trung tâm bằng một cơ chế tuyến tính như được tìm thấy trong hệ thống quang của trình điều khiển cd-rom. Bằng cách này, có thể dễ dàng và đủ để thực hiện toàn bộ hệ thống như một vòng lặp mở bằng cách sử dụng một động cơ bước ở trung tâm và điều khiển nó bằng cách vi bước để tránh cường độ tăng tốc rất cao.

Các giới hạn vật lý trong không gian xung quanh cánh tay chuyển động có thể loại trừ giải pháp này, nhưng đây là bạn - một phương pháp tiếp cận thị giác máy giá rẻ khác. Độ chính xác có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi độ phóng đại của ống kính.

Tôi không biết những gì bạn coi là một gia tài, nhưng bạn có thể muốn xem xét http://www.inductosyn.com/

Một lựa chọn rất thú vị khác, nếu cánh tay của bạn thường xuyên đi vào vị trí ban đầu (nghỉ ngơi), là sử dụng chuột quang (chơi game), hay cụ thể hơn là hệ thống cảm biến của nó.

Gắn cảm biến của nó ở đầu cánh tay của bạn và cung cấp một nền tốt (hạt mịn, không phản chiếu) để trượt qua. Đọc dữ liệu qua giao diện chuột USB tiêu chuẩn.

Bạn sẽ cần một cảm biến đơn giản để hiệu chỉnh vị trí ban đầu. Bạn sẽ phải thử nghiệm để xem điều này có hoạt động đủ tốt không. Nó nên hoạt động chủ yếu bất kể bụi và đơn giản để duy trì.

Có lẽ bạn có thể cân nhắc sử dụng một bộ mã hóa quang tuyến tính ở cuối cánh tay trụ của mình và sử dụng một bộ mã hóa linh hoạt như cái này , có tới 2000 dòng trên mỗi inch. Nếu bạn muốn đi siêu rẻ, bạn có thể sử dụng một bộ mã hóa tuyến tính như thế này , nhưng nó chỉ lên tới 150 dòng trên một inch, do đó độ phân giải 40 micron (vì đó là một bộ mã hóa cầu phương). Nếu bạn không nhạy cảm với một số jitter trong hệ thống ổ đĩa, thì bạn có thể sử dụng nó ngay lập tức. Nếu không, bạn có thể mở rộng cánh tay bên dưới ứng dụng của mình và đặt mã nhỏ hơn nữa. Bạn thậm chí có thể in bản mã của riêng mình nếu bạn có một máy in có DPI từ 1000 trở lên.

Chúc may mắn!