分析segway的直流无刷电机的线性霍尔器件替代编码盘的方案

solyp · 发表于 2010-8-17 09:08:04

最近在研究无刷电机的伺服服反馈控制，一般常见的都是霍尔信号另外加编码盘信号的做法，但是这样结构比较复杂，成本和体积也较大。
搞到了一个segway的驱动电机，研究了一段时间发现其电机结构及控制方式非常特殊。电机的实物照片如下

电机本体 (原文件名:IMG_3925.jpg)

电机端部接口 (原文件名:IMG_3926.jpg)
上图是电机尾部的接口，可以看到有两组一样的接口，是因为segway的电机内部构造特殊，将两套绕组同时做在一个电机本体里面，在电气上有冗余备份
（如何实现同步驱动尚不可知）

端部拆开 (原文件名:IMG_3930.jpg)
上图是拆开后电机内部的结构。
众所周知，segway为了做到动态平衡，必须对电机进行精确的伺服控制，但是拆开它的电机，却发现结构异常简单，并没有安装编码器。有的只是线性霍尔传感器SS495B。

端盖电路板 (原文件名:IMG_3931.jpg)
可以看到6个霍尔传感器程圆周分布，对于一套电机绕组来看就是用到了一侧的三个霍尔传感器。首先这三个传感器肯定能够提供正确的换向信号，但是为了得到更好的伺服控制性能，需要得到精确的速度信息。猜想的是霍尔传感器获得的正弦波被通过AD采样换算成高分辨率的位置信息，从而达到替代编码器的效果。但是这里面的变数也很多，比如磁铁如何能够产生完美的正弦波，磁力强弱和芯片安装的偏斜都会影响波形的幅值，所以仍然无法理解。

希望大家都来探讨一下该另类的用法，望高手指点迷津。

国外做的技术确实是非常考究非常精良，不得不佩服，任何一个细节都值得我们国内的年轻设计师认真学习。
如果能够将这种技术吃透，看上去是比较理想的低成本无刷电机伺服控制的解决方案！

附SS495B的细节照片

线性霍尔芯片 (原文件名:IMG_3933.jpg)
SS495Bourdev_575507.pdf(文件大小:209K) (原文件名:SS496.pdf)

wsypaul · 发表于 2010-8-17 13:43:21

貌似有AS5040这种芯片，集成的霍尔位置传感器，根据磁钢的角度就可以得到AB信号或者用SPI读出绝对角度，10-bit精度，淘宝上貌似45元一个IC
如果用多个SS495加TLC1543这种多路ADC的话，成本貌似差不多了，实现起来精度和LZ说的一样，不确定因素太多。
不知道有没有更便宜的方法。

solyp · 发表于 2010-8-17 18:34:56

我们用过5040，它提供了很多功能，例如线性输出，PWM输出，SPI输出当前的绝对位置等，有1024的分辨率，也可以作为无刷换向信号和编码器的AB相使用，但是这两种模式不能同时选择。而且当做编码器的时候实际上是相当于256线的光栅盘，速度抖动也有一点不准，所以总体来说并不是很理想，有更高级的型号，相当于512的码盘，但是又不提供绝对位置，所以比较郁闷

xhzz · 发表于 2010-10-14 10:45:45

mark

shyany · 发表于 2010-10-15 13:04:08

mark

feng_matrix · 发表于 2010-10-15 13:48:59

开关霍尔是用来换向的，线性霍尔是用来速度环反馈的，是光电相对编码器的廉价替代品
速度环反馈只需要判断检测时间段内，转子转速的变化趋势即可，不需要识别转子的绝对位置
一般无刷伺服上的光电编码器也都是相对的，绝对光电编码器只用在数控机床主轴定位等
这些应用很强调重复定位精度。

segway之类应用主要控制目标是姿态不是定位，只要能对电机的电流环、速度环、姿态角度环做负反馈控制即可。

看照片中有6只60度均匀分布的SS495B，只需要8位的ADC，就可以在360度范围内获得256×6的理论精度
考虑ADC采样与机械安装上的误差，这块板替代256－512线光电编码器应该是可行的。

shark313 · 发表于 2010-10-15 14:03:48

LZ这电机是从哪得到的，功率多大，价格如何？

pytyj · 发表于 2010-10-16 13:35:47

很感兴趣啊，楼主电机里面具体绕线，和结构可以具体说说吗。

solyp · 发表于 2010-10-22 09:45:36

开关霍尔是用来换向的，线性霍尔是用来速度环反馈的，是光电相对编码器的廉价替代品
速度环反馈只需要判断检测时间段内，转子转速的变化趋势即可，不需要识别转子的绝对位置
一般无刷伺服上的光电编码器也都是相对的，绝对光电编码器只用在数控机床主轴定位等
这些应用很强调重复定位精度。

segway之类应用主要控制目标是姿态不是定位，只要能对电机的电流环、速度环、姿态角度环做负反馈控制即可。

看照片中有6只60度均匀分布的SS495B，只需要8位的ADC，就可以在360度范围内获得256×6的理论精度
考虑ADC采样与机械安装上的误差，这块板替代256－512线光电编码器应该是可行的。

回复5楼的朋友，你说的大致方向没错，我也是这么想，但是如果真正实施到细节问题上的时候会遇到一堆麻烦。
“看照片中有6只60度均匀分布的SS495B，只需要8位的ADC，就可以在360度范围内获得256×6的理论精度 ”
话虽这么说，但是最大的一个问题就是线性度，SS495B出来的原始信号在一个周期内不是一条直线，而是类似于正弦波一样，由于非线性的关系，实际的位置和电压值的一对一关系就不是那么容易对应上了，如果是完美正弦波，那么还可以通过sin函数进行映射，而且即使是这样，sin函数的分辨率精度也不是一致的，在斜率很平的地方，角度变化很多，电压值却只变化一点点，但我们最终是要得到实际映射的角度值，从而由求导得到角速度，所以挑战还是很大的。

何况，如果不是完美正弦波，那么还需要其他的映射表格来对应过去，而且不同器件，安装误差带来的电压值会不一致，所以很麻烦的哦。

solyp · 发表于 2010-10-22 10:01:07

电机是我们拆的旧segway上的，功率号称有1000多W，非常大，产地是墨西哥

内部的绕线结构我们查了下，画了个示意图如下：

方法 (原文件名:sewgway电机.jpg)
大家都知道segway 做了很好的备份工作，连电机内部都有2个一样的绕组，驱动同一个转子，具体如何同步的，还不清楚，而且这种电机也是特制的，很少看过

图中分为蓝色和红色两组绕组，蓝色的引线我就省了，是完全一样的。
红色的部分为例。
有三个绕组，每个绕组都有进出2根线，对应的就是顶楼照片中的一对，一对的引线出头。
接到电机尾部的电路板上之后，将会这么走：三个绕组中各抽一根线，连驱动桥，即MA,MB.MC三相
另外的三根线练到一个双刀继电器上。
大家都知道普通的直流无刷电机的绕组是要共中点的即Y型绕组，当继电器吸合后，三个绕组算是连接在一起，就可以正常工作了。

但是为何需要继电器呢？
因为当如果一套系统损坏的时候，有一种可能就是桥臂直通，导致MA,MB，MC中互相存在短路现象。做过电机的同志都知道，电机的2根线短路会将电机死死锁住，很难转动，所以这个时候即使另外一侧的系统是OK的，带动电机运转的时候也会产生很大的阻力。
为了克服该问题，解决办法就是主动把电机的三个绕组分开，这个继电器就是起到这个作用。其实如果在MA,MB两相上单独加上双刀双掷继电器也是一样效果。

默认情况，继电器是断开的，只有本侧电路系统工作良好的情况下，继电器才合上，电机才能正常运转，其他所有故障情况下，继电器均断开，不影响另一侧系统的工作。

pytyj · 发表于 2010-10-22 10:38:45

赞一个，原来有这样的设计，上了一课。
不过既然做了两组线圈，一组使用，一组备份。
有没有这样的可能：
平时使用的时候就一组工作。
但是爬坡等高负荷的时候可以一起工作，可以增加动力，节约成本。

不过又出现悖论，万一爬坡时候坏一组，不知道还能否平衡。

ottife · 发表于 2010-10-22 11:17:43

Segway贵就贵在这个redundancy上面,控制和驱动包括电机都是1:1配置的,两套控制系统之间还要同步状态信息
不贵才怪啊
国产的现在也有了,都只有一套系统,成本就降到了几千人民币了

denglu · 发表于 2010-10-23 01:11:31

mark

shyany · 发表于 2010-10-23 11:31:00

mark

duanyz · 发表于 2010-10-24 11:40:27

关注！菜鸟不懂，帮顶

yunfengren · 发表于 2010-11-7 20:54:20

顶一下

ilawp · 发表于 2010-11-7 22:21:55

mark

yangyh75 · 发表于 2010-11-27 14:22:38

开眼见了，谢谢楼主

Mec.Rover · 发表于 2010-12-20 16:25:01

先顶后马克

zuyinlee · 发表于 2011-1-17 04:18:39

回复【10楼】pytyj
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据说segway的重要部件都是双份的，这样是为了保证安全，包括电机，陀螺仪，主控板，都有备份，连电池都是两个，假如其中一个失灵了另外一个立马顶上，要不然这个东西一出错的话一定会把驾驶者摔出去（就像小布什）

lichunguang32 · 发表于 2011-3-28 11:57:23

有价值的东西

Needed_Change · 发表于 2011-3-28 12:02:35

好东西呀！记一下

charlie2008 · 发表于 2011-3-28 13:33:07

mark!

l0op · 发表于 2011-3-28 20:46:29

mark

stevenh · 发表于 2011-4-24 16:14:20

很想了解双份的主控板是如何协调工作的

feng_matrix · 发表于 2011-10-24 11:25:09

回复【9楼】solyp -
电机是我们拆的旧segway上的，功率号称有1000多w，非常大，产地是墨西哥
内部的绕线结构我们查了下，画了个示意图如下：

方法 (原文件名:sewgway电机.jpg)
大家都知道segway 做了很好的备份工作，连电机内部都有2个一样的绕组，驱动同一个转子，具体如何同步的，还不清楚，而且这种电机也是特制的，很少看过
图中分为蓝色和红色两组绕组，蓝色的引线我就省了，是完全一样的。
红色的部分为例。
有三个绕组，每个绕组都有进出2根线，对应的就是顶楼照片中的一对，一对的引线出头。
接到电机尾部的电路板上之后，将会这么走：三个绕组中各抽一根线，连驱动桥，即ma,mb.mc三相
另外的三根线练到一个双刀继电器上。
大家都知道普通的直流无刷电机的绕组是要共中点的即y型绕组，当继电器吸合......
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按这个电路图，上面那六个霍尔应该就是换向的，因为这种设计是单一转子双线圈的，相当于两个无刷电机合体做备份
但由于线圈安装位置差60度，所以需要换向霍尔也要两套并错开60度。

这种设计确实比较怪异，难道是为了实现动力系统冗余，提高高可靠性？

feng_matrix · 发表于 2011-10-24 12:55:14

回复【24楼】stevenh
很想了解双份的主控板是如何协调工作的
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坛子里另一个帖子里有SEGWAY的主板照片，明显SEGWAY主板上有4组无刷驱动，左右电机各2个

切换就用是9楼那个双刀继电器实现的
一但出现问题，星形接法的三组线圈立马被开路，退出控制闭环
然后另一组无刷驱动＋电机线圈接管控制

关键是判异原则，都有那些情况会导致切换？硬件切还是软件切？

samkkk · 发表于 2011-10-24 13:38:26

mark

hitor · 发表于 2011-12-23 03:05:57

mark

hexenzhou · 发表于 2011-12-23 08:54:19

这个东东很有技术含量，要整好非常不容易。

skystalker · 发表于 2011-12-24 12:59:12

SEGWAY的东西确实很牛我在做SEGWAY无人车平台的控制系统

guozs1984 · 发表于 2012-1-28 01:48:04

这次看过，收益匪浅.

babaiwangqi · 发表于 2012-2-27 11:26:34

好贴顶！！！

njsuyu2012 · 发表于 2012-3-9 23:58:01

楼主有变速结构的照片吗？发上来看看，谢啦。

yuhuofenshen · 发表于 2012-3-28 19:19:26

尽管不懂还是要顶

爱啃苹果的葱 · 发表于 2012-8-7 14:40:01

关从硬件上来看就已经很NB了，那他的算法有哪些独特的地方呢，有谁懂点的……

kexiao · 发表于 2012-8-20 16:51:23

很好的资料啊

agilesha · 发表于 2013-1-22 00:18:45

希望对这个有更多详细的资料就好了

rantingting · 发表于 2013-2-18 22:05:06

这个确定是segway上的，这么小吗?

kernelhmm · 发表于 2013-2-19 11:03:35

solyp 发表于 2010-10-22 09:45
开关霍尔是用来换向的，线性霍尔是用来速度环反馈的，是光电相对编码器的廉价替代品
速度环反馈只需要判断 ...

做个映射表格就能解决问题，如果是量产的话，甚至可以专门做个转台设备自动填这个表。

rantingting · 发表于 2013-2-25 15:45:36

LZ能不能提供更多细节图片啊，这个真的很受益匪浅啊

szblue · 发表于 2013-3-10 02:33:18

mark

mzlo · 发表于 2013-3-10 06:11:00

电动车的手把有些也是用霍尔

wallacer · 发表于 2013-3-10 09:02:42

这个很强大啊！

flotox · 发表于 2013-4-8 16:51:07

MARKMARKMARK

Gost · 发表于 2014-2-13 16:25:35

老帖子看到的都会有想法

分析segway的直流无刷电机的线性霍尔器件替代编码盘的方案

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