[发明专利]一种用于机械臂的单霍尔编码器转动惯量计算方法

说明书

本发明属于编码器制造领域，涉及基于一种用于机械臂的单霍尔编码器转动惯量计算方法及装置，包括：利用导磁环改变磁场方向，运用线性霍尔传感器采集磁场信号，同时输出正弦形信号，单片机对正弦形信号处理定位、确定角度值变化量，依次运用角速度、角加速度定义公式求解得到绝对角速度、绝对角加速度，由永磁同步电机转矩与转动惯量、绝对角加速度、力矩输出系数、电流指令之间的关系，以确定转动惯量与电流指令的关系。该过程提高了机械臂在变转动惯量的工作条件下执行动作的准确性和稳定性，该结构降低了编码器的维护成本，提高了其使用安全性，消除了磁钢与磁鼓粘结不牢而脱落的风险，延长了编码器的使用时间，降低了使用成本。

技术领域

本发明属于编码器制造领域，具体涉及基于一种用于机械臂的单霍尔编码器转动惯量计算方法。

背景技术

编码器作为一种重要的传感器在伺服系统中发挥着无可替代的作用，越来越被广泛地应用于自动化控制系统、装备制造、机器人等领域。磁电式编码器以其抗冲击振动、耐污染腐蚀、结构简单、抗干扰、宽温度、高性价比等一众优点，在新一轮工业进阶变革中的地位无可撼动。

目前，机械臂作为进军装备制造业自动化的主要推力，其中精确地控制和定位是实现机械臂高质量完成工作量的必要前提。由于机械臂的各构件在工作过程中的形位会发生变化，进而导致机械臂转动惯量J_m发生变化，随着对机械臂的控制定位精度和动作稳定性等要求的一再提高，必须对安装于机械臂上的永磁同步电机输出的转矩T_N实时调控，其中永磁同步电机输出转矩T_N等于力矩输出系数T_fat与电流指令I_{q_ref}的乘积，力矩输出系数T_fat是在永磁同步电机制作完成时即被确定的一个物理特性常值，而永磁同步电机输出转矩T_N还等于角加速度α与转动惯量J_m的乘积，其中角加速度α可以通过角速度ω与采样点t计算得出，而角速度ω可以通过角度值θ与采样点t计算得出；综上所述，若想要对永磁同步电机输出转矩T_N实时控制，则需要输出精确的电流指令I_{q_ref}，但是电流指令I_{q_ref}精准的前提是要获得准确的转动惯量J_m，即需要对转动惯量J_m进行实时地观测和计算。

磁电式编码器用于角度值解算比较成熟，但将其应用于更高精度的转动惯量的观测和计算尚属于较初级阶段，本发明提出了一种准确有效地计算转动惯量的方法，进而提高电流指令I_{q_ref}的输出精度，进一步提高机械臂在变转动惯量工作条件下的控制精度和稳定性。另外，考虑以往的单霍尔磁电式编码器的磁钢粘结在转动的磁鼓上，在电机轴传导的高热量影响下，会有磁钢在高温情况下退磁而导致的磁电式编码器失去工作能力和粘结剂受热加速老化导致磁钢粘结不牢固而飞出的情况发生。

针对上述问题，本发明提出了一种用于机械臂的单霍尔编码器转动惯量计算方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种方案，旨在解决机械臂在工作过程中转动惯量发生变化而导致的动作执行精度不高和稳定性不足的问题，并设计一种新结构来实现单霍尔传感器对绝对角加速度的实时计算，进而实现对转动惯量的计算，并且提高了该种单霍尔编码器的结构可靠性，即磁钢工作的可靠性，避免了因连接不牢固而导致磁钢飞出的情况，且螺栓连接可靠，也对后期更换退磁的磁钢提供了便利性。本磁电式编码器通过上述方法来提高编码器的使用安全性，并提出基于此结构的绝对角加速度和转动惯量计算方法。

本发明公布了基于一种用于机械臂的单霍尔编码器转动惯量计算方法；包括：

圆环形磁钢，用于产生稳定的磁场；

旋转式磁鼓，由两个完全相同的鼓盘通过螺栓连接组成，用于将圆环形磁钢嵌入内部，并随永磁同步电机轴共同旋转，产生周期性变化的磁场；