近期项目比较多,不过大部分的小项目都没有遇到太大的困难。
目前进行中的项目 :
开源项目复刻: 3d 打印机下位机主板 & 工具头 Can 板
开源项目复刻:电桥镊子
个人原创项目:电感式编码器设计(隶属于六轴机械臂项目)
个人原创项目:摆线减速器设计(隶属于六轴机械臂项目)
开源项目自是没有什么难度,打板,贴元器件,烧程序,都是有现成的,只是稍微花点时间
目前最主要的就是机械臂的项目,进展缓慢。硬件设计和搭建才起步,而软件部分则是完全没有进展
对于编码器部分,我是希望在减速器的输出轴位置编码,因此目前现成的轴上磁编码器完全无法参考。我需要的是一种离轴中空的编码器方案
编码器技术路线选择
目前有三种技术路线可选,光电编码器,磁编码器,以及电感式编码器
光电式编码器
光电式编码器本身没有什么技术难度,精度极高。但关键就取决于码盘。而对于个人项目,想要实现高度定制化,高精度的码盘,价格显然是最大问题。并且光电式编码器对环境的要求也比较高,光照,污染都会影响其精度。
磁编码器
磁编码器对于个人项目算是非常友好的了,有大量现成方案。可惜大部分都是在轴的结构,即在电机轴底部贴一个径向磁铁,再用一颗霍尔传感器芯片在上方检测磁场就解决了。非常简单的结构,但是我希望设计在出轴位置编码,因此需要离轴中空的结构。
目前霍尔传感器还有一种架构:使用一块径向中空磁环,在轴侧面环绕布置四颗霍尔传感器,加上 ADC 采样后,就能解算出角度绝对值。MT6908 芯片能够完整实现 ADC 采样加解算,可惜 MT6908 已经停产。这就需要自行使用 ADC 芯片依次采样,然后在 MCU 上解算。无论是逐个采样的延迟,还是受磁场干扰的精度,以及特殊尺寸磁环的价格,总归不是一个完美的方案。

电感式编码器
电感式编码器便是最后倾向的选择,原理是在定子 PCB 上让激发线圈和接收线圈耦合,通过转子 PCB 上的周期性导电图案对接收线圈的信号产生扰动,通过扰动的信号来解算出绝对位置。
这种方案,硬件上只需要两块 PCB 和芯片,机械尺寸是最容易自定义的,不用担心码盘大小或是合适的磁环尺寸的问题。并且精度和稳定性也优于磁编码器,虽然成熟的参考方案几乎没有,但对于这种新兴方案我还是很乐意尝试一下的。
可惜没想到,芯片选择和线圈画法却成了最大的难点。
芯片选择
在芯片的选择上,TI 的 LDC5071 是资料最公开的,有完整的手册,参考设计以及线圈设计软件。而Melexis 的 MLX90514 和 onsemi 的 NCV77320 公开了完整手册和寄存器列表,但线圈设计软件仍需要申请。
对于其他的芯片,比如瑞萨的 RAA2P4520,microchip 的 LX34070 以及赛卓的 SC60340,都是不公开资料的,寄存器列表和线圈设计方案都被加密,需要以公司身份签署保密协议,完全不对个人开放。
赛卓原本是我最希望使用的芯片,毕竟是国产芯片,资料和价格上都更友好。只可惜他们的微信客服并不愿意提供寄存器的手册。而瑞萨和 microchip 我还在尝试以学生身份申请资料以及申请 Melexis 的线圈设计软件,也许会有可能呢


TI 的 TIDA-010961 参考设计,是目前可行性最高的方案了,只是使用了两颗 LDC5071 实在是太昂贵了,还有 ADC,以及外围电路芯片;不到万不得已我大概不会想使用这个方案。但是这个方案实实在在让我了解了电感式编码器的原理,Vernier 架构的设计以及解算方法,对其他芯片的线圈设计也很有启发。

线圈设计
激发线圈是最简单的,只需要正常的螺旋形电感线圈,并保证感值和外部电容匹配即可。
接收线圈就到了各家百花齐放的时候了,有星型连接的,有单周期的,多周期的。目前我比较了解的就是 TIDA-010961 中的 Vernier 架构线圈,使用两组多周期线圈 (16/15;n/n-1) ,再使用每个线圈各自周期内的位置,就能解算出完整的绝对位置。更容易理解的是 16/1 周期线圈的架构,单周期线圈相当于参考轴用于判断 16 周期的线圈正处于哪个周期,而 16 周期的线圈用于提供更高的分辨率。

还有从 onsemi-NCV77320 资料中取得的 60 度传感器参考设计,里面使用的就是星型连接的 3-phase twisted loop 架构。接收线圈一共三组,每组相位差 120° 电角度。靠三个 phase 各自的信号幅度和相位关系,解算出绝对角度

目前各家基本上都有自己的线圈设计工具,并且不对外开放。也许他们希望的是提供完整解决方案,而不是单卖芯片。对于个人而言,获取资料的希望实在太过渺茫。所以想进一步了解,还需要等待我的申请结果。
补充
就在我刚刚完稿时,成功找到一个 MT6908 供应商,表示愿意以 10 元/颗的价格零售给我。我已经决定先购买 6 颗备货,如果所有申请都无法通过的话,我可能会先考虑双 LDC5071 的方案,但是在资金不足的情况下,就只能转向磁编码器的方案了
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