EAST柔性机械手臂体数据采集系统设计

梁世盛，魏晓阳，王海勇，袁茂强，敖飞平

(1.上海航天设备制造总厂，上海 200245；2.上海卫星工程研究所，上海 200245；3.上海航天工艺装备工程技术中心，上海 200245)

0　引言

全超导托卡马克核聚变试验装置(experimental advanced superconducting tokamak,EAST)是中国科学院合肥物质科学研究所研制的聚变反应堆装置，是通过磁约束和真空绝热来实现受控核聚变的环形容器。该反应堆装置的设计目的在于进一步研究人类在核聚变能源利用过程中出现的问题[1-2]。

该试验装置内部工况恶劣，以致其内壁上的元器件极易出现损坏或故障，需要经常维修。但装置内部的高温、高辐射和强磁场使工作人员无法进入维修[3]。因此，在托卡马克装置腔体内进行的各项维护作业必须依赖柔性机械手(由机械臂体和末端执行器组成)。机械臂体是柔性机械手的主要组成部分，机械臂体的数据采集系统对其各种作业的性能起关键性作用，因此必须使得数据采集系统的采集精度和稳定性处于较高水平。该数据采集系统的设计难点在于：它需在确保采集精度的同时，保证系统在较极端环境中的正常运行。托卡马克腔为环形腔体，只有采用多关节机械臂体，才能到达腔体内部的任意位置并进行维护。该柔性机械手由5节臂体和1个执行末端组成。每个臂体都负责水平和垂直方向的运动，由2个传感器模块与1个数据采集控制模块进行位姿态的精确获取。本文着重对机械臂体的采集系统原理和测试情况进行说明。

1　系统总体设计

机械臂体主要的运动包括水平和垂直2个方向的偏摆。采集系统不仅要对臂体的位置信息进行监控，还要对电机的工作温度进行反馈，以实时监测电机的工作状态。同时，系统还需要对臂体的倾斜度进行测量，以供其他辅助设计使用。

采集系统主要由单片机、倾角传感器、位姿传感器和2个温度传感模块组成。系统工作原理如下：单片机通过SPI通信，分别获取倾角传感器和位姿传感器的信息；单片机A/D接口对温度采集模块进行数据转换读取；所有数据通过CAN通信上传至上位机。

采集系统原理框图如图1所示。

图1　采集系统原理框图

2　系统硬件设计

由于装置不处于工作状态时，内部温度仍处于高温状态(80～115 ℃)，所以该电路系统的散热和元器件耐高温是设计难点。此外，为避免系统累加误差，单个臂体位置和倾角的采集定位误差均需控制在±0.1°以内。

2.1　位姿传感器

为确保在苛刻环境中得到臂体的位姿信息，并使其符合结构要求，该设计使用AS5047D作为位姿传感器。AS5047D是一款高精度、非接触、绝对式的磁线性编码器，可以准确检测离轴旋转运动，对光并不敏感，能够承受高强震动以及浓细粉尘的工况；具有突破性技术的动态角度误差补偿(dynamic angle error compensation,DAEC)，能抵偿传感器处理磁场强度原始测量值时，因传播延迟造成的角度动态误差。该芯片与1个对磁极配合，在最高转速(14 500 r/min)时，最大角度测量误差不超过0.18°，工作电压为3.3 VDC或5 VDC，正常工作温度为-40～+125 ℃，并且能够抵抗外部磁场带来的干扰，以保证系统的稳定性。该芯片提供了SPI、PWM、UVW和ABI等多种通信接口。AS5047D芯片和磁铁离轴运动感应规定磁体需要在芯片的正上方，最优距离为1.1 mm[3]。

2.2　控制芯片和温度传感器

该采集系统的控制芯片使用Microchip公司的单片机DSPIC33FJ128MC804。该芯片为性能强大的16位数字信号控制器(digital signal controller，DSC)，具有扩展的数字信号处理(digital signal processing,DSP)功能和16位微控制器(microcontroller unit，MCU)架构，工作电压为3.0～3.6 V，每秒处理的百万级机器指令数(million instructions per second,MIPS)最大为40，并采用精简指令来提高执行效率。该芯片具有12位ADC、大量数字I/O、UART、SPI、CAN等接口，能够满足用户设计需求。由于该电路需运行于高温环境，所以选择扩展级(E级)芯片。该级别芯片的正常运行温度为-40～+125 ℃，比工业级(-40～+85 ℃)更具耐高温能力。系统在运行中芯片自身的温升也需要着重考虑，所以在选择封装时，需要选择温升最小的封装。因此，本设计选择44引脚进行方形扁平无引脚(quad flat no-lead，QFN)封装，其热阻值仅为24.5 ℃/W[4]。

为了检测电机外壳的温度，需要将温度传感器贴于电机外壳，所以该系统采用Pt100铂电阻作为温度感应器。由于铂电阻的阻值会随着温度的变化而变化，故需要将阻值的改变量转化为电压的变化量，以推算出温度值。

温度信号转换电路如图2所示。

图2　温度信号转换电路

电路中，使用可控电流源LT3092产生定值电流。该芯片只需利用2个外部电阻器的阻值比，即可得到一个定值电流(范围为0.5～200 mA)，比其他构造电流源方式更简便。

LT3092电流源产生的电流计算公式为：

(1)

式中：Isource为输出电流，μA；Rset为芯片引脚1上的电阻，Ω；Rout为芯片引脚2、4上的电阻，Ω。

该电路采用100 kΩ和1 kΩ的电阻配合LT3092芯片，产生1 mA电流，经过Pt100铂电阻产生相应电压后，将电压放大34.3倍(根据极限工作温度-30～+150 ℃，对应的电阻值设置放大倍数)。第一个OPA2211运放的输出端电压范围约为3～5.1 V，超出了采集范围。所以，加入减法电路，使AD1的电压减小为0.5～2.6 V，符合采用要求。

图2所示的电路中，Pt100电阻与输出电压转换的公式为：

(2)

式中：UAD1为AD1端的电压，V；RPt100为Pt100的阻值，Ω。

根据Pt100电阻和温度的关系，可以得出温度与电压的关系为：

(3)

2.3　倾角传感器

在机械手系统中，多臂体串联所造成的误差累积会对系统的安全性造成极大的危害；而位置传感器自身精度问题所带来的电机旋转微小误差(表现为摆臂误差)，在机械臂末端亦将造成非常大的累积误差。所以，该系统通过高精度双轴倾角传感器采集每个臂体的实际倾角信息，使得该系统的构成闭环控制，以矫正位姿信息。

倾角传感器外围电路如图3所示。

图3　倾角传感器外围电路

该系统中的倾角传感器采用ADI公司的ADIS16209芯片。该芯片内部含有1个嵌入式控制器，使用出厂时安装的校正系数动态地检测系统环境，并补偿直接数字角度输出，校正温度、电压、角度等参数变化导致的误差。ADIS16209由12位辅助ADC、数模转换器和警报器组成，具备数字自动检测以及可程控的状态监视功能。该器件采用SPI通信方式，单电源3～3.6 V供电，能够抵抗3 500g(重力加速度)冲击，工作温度为-40～+125 ℃[5-6]。

本设计采用电阻和电容组成充电电路，实现上电后芯片的自动复位。电容为10 μF，电阻为100 kΩ。根据电容充放电公式(4)，可以得到充放电时间。

(4)

(5)

式中：Ut为t时刻的电压，V；U1为最后充满的电压，V；U0为初始电压，V；C为电容，F；R为电阻，Ω。

当电量充满时，电压为3.3 V，t时刻电压为0.8 V，初始值为0。由此可以计算出t=278 ms，满足芯片复位需求。

3　系统软件设计

系统软件程序流程如图4所示。由于温度在该系统中只作为辅助信息，其精度在0.5 ℃即可。对于2个温度采集的结果，取其高8位数据上传至上位机，有利于节省传输时间[7]。

图4　系统软件流程图

4　测试结果和电路改进

对系统的各个模块和性能进行测试，主要包括耐高温、位姿模块误差和倾角模块误差等试验。

4.1　耐高温测试

采用苏州德瑞普DRP-8802型恒温鼓风干燥箱，对该采集系统进行了多次耐高温试验，并通过实时监控该采集系统的采集数据来判定其是否正常工作。多次的耐高温试验结果表明，该系统的平均耐高温约为104 ℃。依据测试结果，对电路上的芯片进行了耐高温测试。采用排除法(将芯片逐个断电)，发现单片机的耐高温性能最差。通过红外仪测得电路工作时的红外图像，单片机的温度比其周围高约20 ℃。经分析，其原因可能为：芯片自身功耗的温升、芯片分布过于密集。所以，必须通过一些举措提高电路板的耐高温性能[8-9]。

①将单片机的封装由薄型四边引脚扁平封装(thin profile guad flat packet,TFQP)(封装热阻45.8 ℃/W)改为44引脚QFN(封装热阻24.5 ℃/W)，可降低46.5%的温升。

②高耗能芯片的印刷电路板(printed circuit board,PCB)两面铺铜和过孔，增强热散能力。

③分散芯片布局，使元件热散面积最优化[10]。

对改进后的电路进行了耐高温试验，在温度达到123 ℃时，位置传感器AS5047D停止工作，电路上其他芯片仍能正常运作。而后将电路置于115 ℃下进行5次重复试验，每次测验1 h，电路系统均正常工作，表明对电路板的修改改善了其耐高温性能。表1即为电路改进前后的耐高温测量结果对比。

表1　耐高温测量结果对比

4.2　位置和倾角数据准确性试验

为了对系统的精确性进行测试，搭建了由上位机、单轴机械臂、2个摆臂电机、采集板和激光跟踪仪组成的测试台。采集板和电机都位于机械臂末端，通过上位机控制电机运动。机械臂可以实现水平和垂直的摆臂运动。

上位机对电机进行控制，机械臂摆动角度由激光跟踪仪进行测定，并与采集系统得到的结果进行对比，误差曲线如图5所示。

当机械臂水平运动以2°为间隔量对-90°～+90°进行测定，所得误差如图5(a)所示。从图5(a)中看出，测定误差基本在±0.1°以内。接着，对倾角的定位精度进行测试。由于系统设计要求机械臂上下摆动幅度在±45°以内即可，所以在测试过程中就以极限值作为试验范围。从图5(b)的测试结果中看出，在±45°内，垂直摆动的误差保持在±0.1°内，符合系统要求。

图5　误差曲线

经过分析，产生角度误差的因素主要为：磁体的均匀性、磁体与芯片的空间位置精度、电机的步进精度。为提升机械臂控制精度，采用磁极分布更匀称的磁体，提升机械安装精度和采用步进精度更高的电机，使得控制效果更佳。

5　结束语

针对试验型先进超导托卡马克装置的内窥机械手臂高精度定位和耐高温的要求，提出了一种基于高精度磁编码传感器AS5047D和倾角传感器ADIS16209相结合的位姿采集系统，并采用多种辅助传感器对整个系统进行监测。

针对电路设计中易出现的一些问题，采用多项优化措施，使电路采集系统能够在保证稳定性的前提下适应115 ℃高温环境。通过大量的试验，验证了该采集系统具备耐高温和高精度定位的性能，达到了机械臂体的设计要求。

参考文献:

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[3] 袁茂强,梁世盛,王力,等.采用磁编码器的直流电机控制系统设计及实验[J].自动化仪表,2016,37(8):21-24.

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[10]熊文军,方敏,徐科军.流量变送器耐高温对策[J].自动化仪表,2012,33(6):81-82.