六维力传感器动态测试电磁激励力控制电路设计与分析

张家敏，许德章，董跃龙



六维力传感器动态测试电磁激励力控制电路设计与分析

*张家敏1 ,2,3，许德章1 ,2,3，董跃龙1 ,2

(1.安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽，芜湖 241000；2.安徽工程大学先进数控和伺服驱动技术实验室，安徽，芜湖 241000 3.芜湖安普机器人产业技术研究院有限公司，安徽，芜湖 241007)

针对脉冲激励和单位阶跃法测试六维力传感器动态性能时输出力单一，力值大小调节较困难，且负载信号的检测不理想等问题，采用电磁激振原理，致力于谐波激励装置的研制。针对电磁滞后特性，以及电磁激励力随频率增加呈衰减特性，采用双闭环控制方案，即内环为电流环，外环为激励力反馈环，设计了一款六维力传感器动态测试电磁激励力控制电路。该电路测试结果表明电磁激励力输出幅度在传感器工作带宽内保持恒定，完全满足基于谐波激励法六维力传感器动态性能测试要求。

六维力传感器；谐波激励装置；双闭环控制；电路；动态性能测试

0 引言

近年来随着机器人产业发展，对机器人的相关研究也越来越多，而实际应用中对于标定实验大多采用砝码盘和冲击锤等阶跃和脉冲类激励装置，由于其工作带宽窄且可控性低，无法满足自动化程度要求[1-3]。本课题设计的双E型电磁激振器的驱动装置为频率类激励，其动态激励输出的频率和幅值均可通过外部电路实现控制，实用性好且操作简单[4,5]。本文针对双E型电磁激振器的控制及电阻应变片组成的电桥的信号采集设计了一种信号控制转换电路。

1 电磁激振器激励力输出特性

1.1 电磁激振器的结构和工作原理

本课题设计的电磁激振器由左右两个闭合磁路组成，具体结构如图1所示。其中，左闭合磁路包括铁心1、挡板2、活动衔铁3，右闭合回路包括铁心8、挡板7、活动衔铁6，左右闭合磁路由直筒型轴承4、5连接起来，且直筒型轴承5上安装传动杆9，传动杆9的另一端和六维力传感器实验台连接[6]（图1中未画出）。

当左线圈中通有电流时，在电磁力作用下，左活动衔铁向左挡板移动，从而驱动传动杆向左移动；当右线圈中通有电流时，在电磁力作用下，右活动衔铁向右挡板移动，从而驱动传动杆向右移动；在将交流电分波处理后分别输入左、右线圈时，传动杆可完成连贯的左右运动，并通过传动杆将这种激励力（电磁力）传递给多维力传感器实验台。

图1 电磁激振器模型图

1.2 电磁激振器输出特性

电磁激振器的力学模型结构示意图如图2所示。

图2 电磁激振器力学模型

其中，1为缠绕线圈的铁块，2为活动衔铁，3为传动杆。传动杆和六维力传感器实验台连接，连接可等效为一个弹簧和一个阻尼器，弹簧的刚度系数为，阻尼器的阻尼系数为，则该系统的运动形式可用牛顿第二定律来表述：

式中，()为电磁激振器缠绕线圈的铁块和活动衔铁间的距离，为缠绕线圈的铁块对活动衔铁产生的电磁力。

电磁力的公式：

电磁回路的电压方程：

(3)

对式（2）分析可知，电磁力是关于位移()的非线性函数，则该系统是非线性系统。按泰勒级数展开对非线性方程进行处理，即平衡点，可得

以参数为状态变量，则该电磁激振器的状态空间方程可表述为：

(6)

由以上分析可知，电磁吸力和电压、衔铁位置、激励信号频率有关，使电磁激振器的输出激励可控需相应的驱动电路进行控制。

2 电磁激振器控制方案

由于电磁激振器在交变电流作用下，磁体中存在涡流和磁滞损耗，易引起磁力幅值衰减，同时线圈的阻抗使得输出的电流信号相位产生滞后[7]。为了减小幅值衰减和相位滞后的影响，本文提出了双闭环控制方案，即内环为电流环，外环为激励力反馈环，控制原理如图3所示[8-9]。电磁激振系统期望力信号与实时力信号相减得到力误差，经模数转换后得到数字信号，再经力控制器计算得到所需的电流参考值，通过数模转换之后与实时电流数据相减得到电流误差，再经过电流控制器得到期望电流。由于内环中电磁铁的电阻较小而电感较大，相当于惯性环节的时间常数较大，这将导致输出电流延缓地反应输入电压的变化规率，最终会影响电磁激振器稳定性及控制性能，因此引入电流环反馈来加快电流响应速度。

图3 双闭环控制方案原理图

控制部分包括比较环、PI控制、功率放大、分波处理和电流采样。PI控制对信号进行比例积分运算，加快电流响应速度，从而改善激振器的幅值衰减和相位滞后影响，功率放大用于对激励信号的放大处理，为激振器提供足够的驱动电流，电流采样可反馈线圈中的误差电流，再输入比较环进行差分运算，从而提高输出波形的准确度。

电桥的信号采集原理图如图4所示：采用模块化设计，模块之间通过串联端口连接。该结构可提高系统的冗余性，且系统级联可最大程度保证输出电信号的稳定性。

图4 电桥信号采集原理图

信号采集部分主要由恒流源产生模块、放大模块、供电接口、转换接口和输出接口组成。其中，恒流源产生模块为电桥提供恒定的电流，放大模块对电桥输出的微弱电信号进行放大处理，供电接口、转换接口、输出接口用于模块间的供电和信号传输。

3 电磁激振器控制电路

3.1 电磁激振器控制器及驱动电路设计

由于电磁激振器工作频带比较宽，且对激励力响应速度要求比较高，即要求激励力输出滞后尽可能小。因此，采取模拟硬件电路构建电磁激振器的控制器，且采取简单PID控制方法。

设计的控制电路如图5所示[10-11]。

图5 控制电路

图5虚线框1为比较环，虚线框2为PI控制部分，虚框4为电流采样部分，它们的芯片都采用通用运算放大器UA741。

而电流采样可将线圈中的电流误差反馈到比较环，通过差分运算使期望电流的精度提高。

图5虚线框3为功率放大部分，选用APEX公司的高压功率运算放大芯片MP38CL，它是一款新型的专门用于高压设备的功率放大器，输出功率带宽为20 kHz，最大输出电流为10 A，满足设计要求。

3.2 信号转换部分

由于六维力传感器实验台是用于检测三维空间的全力信息，即要对6路信号分别采集，但每一路的检测原理相同，所以本文只取一路信号采集电路分析，具体电路如图6所示，其中，电桥由贴在六维力传感器实验台弹性体表面的电阻应变片组成，组桥方式为差动全桥，用于力信号转换成电信号输出。

图6 信号采集电路

图6虚框5为恒流源产生模块，其选用LM317稳压芯片，根据LM317输出端和调节端在正常工作时两端的稳定电压为1.25 V，而该实验的电桥需要20 mA的恒定电流供电，根据关系式可知，取整后调节电阻。

图6虚框7为放大模块，选用微功耗功率放大芯片INA122，可将电桥输出的微弱电信号进行高倍数放大，其放大增益公式为：，其中为外设电阻。为了便于A/D转换的需要，可通过调节其阻值来改变增益大小，该电路的放大倍数设定为10000，则外设电阻。

控制电路和信号采集电路共同组成了本文设计的电路，其中信号采集电路包含6路，具体电路板如图7所示。

图7 电路板实物图

4 实验测试

由于本电路板实测项目较多，限于篇幅本文只给出数据采集的检测结果。设定函数发生器输出波形的频率分别为100 Hz和200 Hz，电压幅值均为10 V的正弦波，通过控制电路的运算和转换可得到放大的正弦信号，经二极管的分波输入到线圈中，从而驱动电磁激振器为六维力传感器实验台提供激励，信号转换电路通过对电桥信号放大处理可间接测量实验台所受激励大小，并通过虚拟仪器平台读取实验采集结果，检测结果如图8所示。从图8中可以看出应变波形虽然分布较广，但主要集中在100 Hz和200 Hz频率段左右，与激励信号的频率相吻合。

图8 检测结果

5 结论

通过实验分析，该电路能实现对双E型电磁激振器频率和幅值的控制，同时可用于对电桥信号的采集测量。首先激励信号通过控制电路的运算和转换可得到放大的正弦信号，经二极管的分波输入到线圈中，从而驱动电磁激振器为六维力传感器实验台提供激励，然后经过恒流源产生模块对电桥供电，用放大模块对电桥信号放大处理，最后将读取数据用虚拟仪器显示。实际应用表明，设计的电阻应变片式六维力传感器信号控制转换电路运行正常，检测效果较好，具有一定的实用价值。

参考文献：

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[4] 张菀,许德章,汪志红. 多维力力矩传感器动态试验台电磁激振器建模与电流环PI控制[J]. 安徽工程大学学报,2013,28(2):54-57.

[5] 卫然.多维力传感器动态测试激励方法研究——双E型六维力传感器弹性体动态建模及动态测试方法研究[D]. 芜湖:安徽工程大学,2012.

[6] 杨清华, 汤炳新. 电磁激振器的变结构控制[J]. 河海大学常州分校学报,2007,21(4)：28-30.

[7] 何明霞, 秦利, 王康. 基于 PIC18F4523 的电磁激振器驱动系统设计[J]. 电气自动化, 2009 (4): 44-46.

[8] 董辉. 平板式压电六维力传感器静/动态标定的虚拟仪器系统研究[D]. 重庆:重庆大学,2014.

[9] 王春霞.基于Labview的控制实验系统的设计与开发[D]. 沈阳:东北大学,2008.

DESIGN AND ANALYSIS OF CONTROL CIRCUIT BASED ON SIX-AXIS FORCE SENSOR DYNAMIC TEST EXCITATION FORCE

*ZHANG Jia-min1,2,3,XU De-zhang1,2,3，DONG Yue-long1,2

（1.School of Mechanical and Automotive Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000, China;2.Advanced Numerical & Servo Technology, Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000, China；3.Wuhu anpu robot technology research institute co.,LTD,Wuhu,Anhui 241007,China）

According to the existing problems of the driving device with single, narrow bandwidth and undesirability load signal detection in the dynamic performance test of six-axis force sensor. Based on the method of pulse excitation and unit step change, we develop the harmonic excitation device based on the principle of electromagnetic vibration. According to the characteristics of electromagnetic hysteresis and the electromagnetic force attenuation with the frequency increasing, we adopted double closed-loop control scheme with the inner for the current loop, the outer for the exciting feedback loop. We also designed a kind of electromagnetic excitation control circuit for dynamic test of six-axis force sensor. The test results show that the electromagnetic excitation force output amplitude remains constant over a bandwidth of sensor and fully meet the dynamic test of six-axis force sensor based on harmonic excitation.

six-axis force sensor ;harmonic excitation device；double closed-loop control; circuit；dynamic test

1674-8085(2015)06-0066-05

TP212

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2015.06.014

2015-07-07；修改日期：2015-09-18

国家自然科学基金项目(51175001）；安徽省自然科学基金项目(11040606M144)

*张家敏(1990-)，男，安徽合肥人，硕士生，主要从事机器人与信息感知研究(E-mail:zjmsurfer@163.com);

许德章(1964-)，男，安徽芜湖人，教授，博士，硕士生导师，主要从事机器人感知研究(E-mail:xdz@ahpu.edu.cn);

董跃龙(1989-)，男，江苏建湖人，硕士生，主要从事机器人与信息感知研究(E-mail:1010083167@qq.com).