Датчики положения ротора вентильных электродвигателей

Датчик положения ротора вентильного электродвигателя (ДПР) служит для определения относительного положения продольной оси ротора и осей фаз статорной обмотки для управления коммутацией полупроводниковых элементов в цепи питания фаз. Принцип действия вентильного электродвигателя изложен в п.11.2 /7/. В качестве датчиков положения ротора вентильных электродвигателей используются в основном индукционные (см. 16.1 - 16.6), а также индуктивные, гальваномагнитные и фотоэлектрические датчики, описанные в п.16.1 - 16.8. Находят применение также датчики Холла, датчики с дросселями насыщения, трансформаторные датчики и др. Значительное количество датчиков положения ротора различной конструкции и принципа действия описано в /5,16, 61/. Рассмотрим некоторые из них.

Фотоэлектрические датчики. Простейший датчик положения ротора, используемый в электроприводах типа ЭПБ-1, представлен на рис.16.19. Переключение фаз двигателя производится тиристорным коммутатором в функции сигналов ДПР, который состоит из трех пар свето- фотодиодов, жестко привязанных к фазам статора, и вращающегося диска, закрепленного на валу ротора. При р_п = 1 диск имеет одну прорезь с угловым размером 180^°, а пары свето- фотодиодов разнесены в пространстве на угол 120^°. При р_п = 2 диск имеет две прорези с угловым размером 90^°. При р_п = 4 диск имеет четыре прорези с угловым размером 45°, а пары свето- фотодиодов разнесены друг от друга в пространстве на угол 30^°, как показано на рис.16.19.

Рис.16.19: 1 - светодиод, 2 - фотодиод, 3 - диск с прорезями 5,

4 - чувствительный элемент.

Сигналы датчика положения ротора представлены на рис.16.19,б.

Датчики Холла. Использование датчиков Холла для определения положения ротора вентильного электродвигателя описано в /82, 139/. Параметры датчиков Холла представлены в табл. 30.21. Датчик Холла располагается в воздушном зазоре машины в зоне действия постоянных магнитов полюсов ротора так, чтобы магнитное поле пронизывало одну пару противоположных граней пластинки Холла. К другой паре противоположных граней подводится постоянный ток возбуждения. Тогда на противоположных гранях, расположенных в плоскости перпендикулярной четырем предыдущим граням, появится ЭДС Холла, отслеживающая как изменение индукции в воздушном зазоре, так и полярность полюсов ротора. Указанное свойство позволяет управлять двумя транзисторами, работающими в противофазе, а также реверсировать вентильный электродвигатель изменением направления тока возбуждения датчика.

Индуктивный датчик положения ротора. В индуктивных ДПР в качестве чувствительного элемента используются миниатюрные дроссели и трансформаторы. Сигнальный элемент датчика представляет из себя диск, на периферийной части которого расположены анизотропные электромагнитные участки по числу фаз обмотки статора электродвигателя. Около диска в области этих участков расположена обмотка чувствительного элемента, запитанная переменным напряжением и воспринимающая перемещение анизотропных участков при вращении диска. При этом изменяется индуктивное сопротивление обмотки в широких пределах. К обмотке подключена схема, формирующая электрические сигналы при изменении индуктивного сопротивления обмотки. Логическое устройство распределяет сигналы между силовыми полупроводниковыми элементами в цепи фаз обмотки статора электродвигателя /16/.

Конструкция ДПР с дросселями насыщения для четырехполюсного вентильного электродвигателя показана на рис.16.20 / 5 /.

Рис.16.20

Обойма датчика 6 содержит L - образные магннитопроводы 1 и дроссель насыщения 2. Дроссель насыщения может быть выполнен в виде ферритовых колец с обмоткой. Ротор датчика изготовлен из немагнитного материала с впрессованными постоянными магнитами 3, выполненными в виде сегментов. Ротор имеет посадочную втулку 5. Экранирующие пластины 4 выполнены из ферромагнитного материала и служат для экранирования потоков рассеяния постоянных магнитов, что позволяет значительно повысить крутизну нарастания и спада выходного сигнала дросселя. Угловой размер сигнального сектора b = 2p/(p_пол m), где m - число фаз обмотки статора, p_пол - число пар полюсов. Обмотка дросселя включена последовательно с обмоткой трансформатора высокочастотного источника питания в цепи управления силовым транзистором, рис.16.21,а. Частота высокочастотного напряжения лежит в пределах 30 - 100 кГц.

Рис.16.21

Когда сердечник дросселя не насыщен индуктивное сопротивление обмотки дросселя велико и напряжения источника питания не достаточно для открытия транзистора. При вхождении постоянных магнитов в зону L - образных магнитопроводов датчика сердечник дросселя насыщается потоком постоянных магнитов и индуктивное сопротивление обмотки дросселя резко уменьшается. Почти все напряжение питания через диоды прикладывается к переходу эмиттер- база и транзистор открывается. Аналогичный датчик описан и исследован в /139/.

Трансформаторный датчик положения ротора. Конструктивно трансформаторный датчик аналогичен дроссельному, рис.16.20, за исключением якоря, в котором сектор постоянного магнита имеет дугу, равную 2p/(p_пол m) -b. Первичные обмотки трансформаторов соединены последовательно и подключены к выходной обмотке высокочастотного трансформатора, рис.16.21,б. Вторичные обмотки трансформаторного датчика через диоды управляют ключами коммутатора силовой цепи вентильного электродвигателя. Когда сердечник трансформаторов датчика не насыщен потоком постоянного магнита, напряжение первичных обмоток трансформаторного датчика трансформируется во вторичные обмотки и открывает силовые ключи. При входе постоянного магнита в чувствительную зону датчика сердечники трансформаторов насыщаются потоком магнита и электромагнитная связь обмоток трансформаторов нарушается, выходной сигнал становится минимальным, недостаточным для открытия транзисторов и ключи закрываются.

Как правило, реверс достигается с помощью двух комплектов чувствительных элементов, сдвинутых относительно друг друга на угол p/p_пол. Направление вращения электродвигателя зависит от того, на какой из комплектов чувствительных элементов подано напряжение питания.

Аналогичный трехфазный трансформаторный датчик положения ротора с первичным напряжением частотой до 30 кГц описан в /77/.

Датчик положения ротора с магнитодиодами. В тех случаях, когда ротором служит цилиндрический постоянный магнит в воздушном зазоре электродвигателя на статоре укрепляются три магнитодиодных пары с угловым расстоянием 120 ^° эл. Электрическая схема включения приведена на рис.16.22 /61/.

Рис.16.22

С помощью потенциометра R управляют потенциалом эмиттера транзистора VT1 так, чтобы транзисторы VT2 - VT4 открывались при срабатывании магнитодиодов в соответствующем плече и обеспечивали в каждой из обмоток фаз вентильного электродвигателя ток в течение времени, за которое ротор повернется на угол 120^°эл.

Рамочные датчики. Датчик положения ротора содержит полый цилиндр, вращаемый ротором электродвигателя. Внутри цилиндра расположена магнитная вставка на которой уложена первичная обмотка, питаемая от генератора импульсов. Ротор охватывается магнитопроводом, в пазах которого уложены детекторные обмотки рамочного типа по числу фаз электродвигателя. Полый ротор выполнен в виде разрезного цилиндра /16/. При вращении цилиндра последовательно изменяется магнитная связь между первичной обмоткой и детекторными обмотками и, соответственно, детекторные обмотки по очереди отпирают соединенные с ними управляющие транзисторы, удерживающие в открытом состоянии силовые транзисторы фаз электродвигателя.

16.10. Датчики шагов шаговых электродвигателей

Датчики шагов шаговых электродвигателей (ДШШД) предназначены для получения информации об отработке перемещения по углу с дискретностью, равной одному шагу ШД. Конструктивное исполнение ряда ДШШД представлено в /90/. Наибольшее распространение получили фотоэлектрические датчики. В качестве сигнального элемента в ДШШД используются диски с прорезями или растровыми дорожками, укрепленные на валу электродвигателя. Число прорезей соответствует числу шагов ШД за один оборот ротора. Чувствительный элемент аналогичен с ЧЭ фотоэлектрических датчиков, описанных выше (п.16.6). При вращении диска фотодиод ЧЭ засвечивается осветителем через диафрагмирующее устройство и при повороте на каждый шаг на его выходе возникает электрический сигнал, поступающий на усилительное устройство, представленное на рис. 16.23.

Рис.16.23

Усилительное устройство собрано на базе операционного усилителя (например, УТ401Б) с использованием отрицательной обратной связи по напряжению. Сопротивление R4 подбирается таким образом, чтобы при нулевом сигнале на входе усилителя на выходе напряжение также равнялось нулю. Серийно выпускаются ДШШД типа ФДШ-3А (дискретность шага 22,5^°) и ФДШ-3Р (дискретность шага 3^°).

17.3. Ферродинамические преобразователи

В системах автоматического регулирования нашли применение ферродинамические преобразователи (ФДП). Применяются они в паре (ФДП-датчик, ФДП- приемник) в системах синхронной связи аналогично сельсинам /12/. Типичная схема ФДП типа ДФ представлена на рис.17.6.

Рис.17.6

Статор 3 и ротор 2 образуют магнитопровод ферродинамической системы. На роторе расположена рамка со средним радиусом R_с. Рамка поворачивается в магнитном поле, создаваемом обмоткой возбуждения статора. Величина потока возбуждения регулируется изменением значения воздушного зазора d. Диапазон поворота рамки определяется углом q. При повороте рамки от нейтрали (N - N) на угол a в ней наводится ЭДС

E_p = (w/ Ö 2)B_cLR_c a, (17.4)

где B_c - амплитудное значение индукции в зазоре, L - длина провода рамки.

Нелинейность выходной характеристики E_p = f(a) ферродинамического датчика типа ДФ1 - ДФ6 не превышает 0,4 % при максимальных отклонениях рамки от нейтрали ±20^°. Ряд схем дистанционных передач на базе ферродинамических датчиков с использованием АИД представлено в /12/. Ряд параметров ферродинамических преобразователей представлен в табл. 30.12.

17.4. Датчики положения из полупроводниковых сплавов

Принцип действия датчика основан на использовании эффекта изменения сопротивления некоторых полупроводников (например, InSb или Ge) в магнитном поле. Простейший датчик имеет три фазы, намотанные вокруг магнитного сердечника /12/. Обмотка фаз выполнена из провода, изготовленного из полупроводникового материала. Фазы питаются постоянным напряжением. При вращении ротора, имеющего постоянные магниты, омическое сопротивление фаз под действием магнитного поля изменяется - модулируется по синусоидальному закону. Этот эффект может быть использован для создания бесконтактного сельсина постоянного тока. Магнитодиодный цифровой преобразователь угла поворота ротора описан в /61/.

17.5. Герконы

Герконы - это магнитоуправляемые герметические контакты /65,70,84, 205 /. Магнитоуправляемые герметические контакты отличаются от электромагнитных реле большим быстродействием, более высокой надежностью и большей долговечностью. Конструктивно герконы представляют собой миниатюрный стеклянный герметический баллон, заполненный инертным газом, с впаянными ферромагнитными пластинками 1, между которыми имеется небольшой зазор, рис.17.7. Пластинки приводятся в соприкосновение магнитным полем, создаваемым управляющей катушкой 2 или постоянными магнитами 3 при их приближении к геркону. В области соприкосновения пластинки покрыты вольфрамом, радием или золотом. Сопротивление контактного перехода в замкнутом состоянии составляет 10^-3 Ом, а в разомкнутом состоянии 10⁹ - 10¹¹ Ом.

Рис.17.7

Для повышения чувствительности используют герконы с внешним магнитопроводом, рис.17.7,в. Такие устройства получили название ферриды. Наличие магнитопровода приводит к увеличению инерционности феррида за счет увеличения индуктивности системы по сравнению с герконами.

В робототехнике герконы применяются в качестве датчиков положения или реле, датчиков линейных и угловых перемещений. Отсутствие механической связи контактов и управляющего органа существенно повышает надежность аппаратуры. Магнитоуправляемые контакты обладают высоким быстродействием (время срабатывания 3 мс)- они позволяют производить более 1000 операций в секунду, допускают большое число включений (до 10⁸ - 10¹² циклов), работают в широком диапазоне температур и обладают вибро- и ударостойкостью. Ряд технических данных герконов представлено в табл.30.13. Замыкающие МК подразделяются на нормальные (МК-50), средние (МК-35), промежуточные (МК-25), миниатюрные (МК-20), сверхминиатюрные (МК- 15) и микроминиатюрные (МК- 10). Цифровые символы обозначают длину колбы в мм.

Датчик перемещений может содержать несколько герконов, что позволяет снимать по ходу перемещения объекта несколько сигналов и использовать их в качестве путевых датчиков. Герконы можно использовать в качестве сигнального элемента в датчиках угла наклона, усилий и моментов, давления, температуры, уровня и объема жидкости, скоростного напора и расхода, числа оборотов, тока /84/.

17.6. Техническое зрение

Технические возможности роботов существенно увеличиваются, если робот обладает способностью приспосабливаться к изменяющимся внешним условиям.

Устройства очувствления позволяют роботу взаимодействовать с внешней средой в интерактивном режиме, существенно расширяющем возможности робота по сравнению с его функционированием по жестко заданной программе. Создание адаптивных промышленных роботов не мыслимо без широкого внедрения систем технического зрения (СТЗ). Значимость визуальной информации для адаптивного управления промышленными роботами подтверждается тем, что человек около 85% необходимой ему информации получает визуально. Большинство мобильных роботов снабжены средствами зрительного очувствления. Транспортные роботы с техническим зрением повышают вариабельность доставки грузов по сравнению с конвейерными транспортерами, что и обуславливает их внедрение в гибких производственных системах. Варианты реализации систем технического зрения для технологических установок сварки, механообработки, контроля наличия объектов в рабочей зоне, контроля печатных плат и фотошаблонов, раскроя материала представлены в /204/. Типовые элементы и узлы систем технического зрения достаточно полно изложены в /181, 204/.

В СТЗ в качестве датчиков изображения служит телевизионная камера с последующей обработкой информации на ЭВМ. Телевизионные камеры СТЗ в качестве чувствительных элементов используют как вакуумные трубки типа видикон, так и твердотельные преобразователи типа приборов зарядовой связи (ПЗС) или фотодиодных матриц (ФДМ). Достоинством ПЗС и ФДМ является жесткая координатная привязка изображений вследствие фиксированного растра. Технические характеристики оптических преобразователей приведены в табл.30.14.

Видеодатчики СТЗ строятся на основе преобразователей типа диссекторов, видиконов, приборов с зарядовой связью, полупроводниковых фотоприемников.

Диссектор является электронно-лучевым преобразователем световой энергии в электрические сигналы без накопления заряда на фотокатоде. Видикон и ПЗС являются преобразователями с накоплением заряда. В наибольшей степени удовлетворяют требованиям к системам технического зрения системы на основе матриц ПЗС. Матрицы ПЗС имеют высокое быстродействие при преобразовании сигнала и достаточное число элементов дискретизации (размерность массивов чаще всего составляет 256х256 или 512 х 512 точек растра). Матрицы ФДМ обычно имеют 32х32 или 50х50 элементов. Используя квантование сигнала изображения, который получают при сканировании чувствительного элемента по поверхности, формируют цифровые сигналы, которые обрабатываются на компьютере. Таким образом можно проводить распознавание зрительных образов. Основным требованием, предъявляемым к СТЗ, кроме качества распознавания и точности определения параметров, является возможность функционирования в реальном масштабе времени (от 10^-3 до 1 с). В сосременных СТЗ на обработку одного кадра уходит 0,04 - 1 с. СТЗ делятся на одно- двух - и многодатчиковые устройства. При этом, датчики могут быть сканирующими, неподвижными или перемещающимися вместе с манипулятором.

Использованию технического зрения в промышленном производстве посвящено значительное число работ, в том числе /41, 73, 131,150,177, 181, 204/. Основными задачами технического зрения являются:

- обнаружение объектов манипулирования;

- идентификация положений и конфигураций объектов манипулирования;

- измерение расстояний до объекта;

- оперативное управление технологическим процессом;

- контроль качества деталей.

Обобщенная структурная схема рабочей зоны промышленного робота с системой технического зрения представлена на рис.17.8 /204/.

Рис.17.8

Наибольшее распространение при идентификации объектов получили интегральные и контурные методы, а также методы характерных точек. Если распознаваемые объекты известны заранее, то, сочетая различные основные дискрипторы признаков, можно определить параметры классификации рассматриваемых объектов (факторы формы). Для фигур, которые необходимо распознать, можно заранее создать типовые изображения- шаблоны. При сопоставлении шаблон можно перемещать параллельно самому себе, поворачивать, изменять масштаб и так далее. Перспективными в СТЗ для промышленных роботов являются различные самообучающиеся алгоритмы /141/.

Во многих случаях СТЗ является основой адаптивной системы управления.

Например, визуальная обратная связь может быть применена в контурах позиционирования /144/. В адаптивных системах управления процессы адаптации и оптимизации взаимосвязаны. Большинство известных адаптивных систем автоматического управления синтезированы на основе оптимизационного подхода или в процессе своего функционирования используют методы оптимизации. Экстремальные задачи управления возникают, например, при разработке подвижных роботов. В технической литературе экстремальные задачи ставятся в основном при обработке сенсорной информации и при планировании глобального маршрута движения робота. Полученную информацию целесообразно обрабатывать на основе оптимизационного подхода, в частности, на этом принципе построены корреляционно- экстремальные системы /126, 157, 204/. Вопросы организации ввода информации в ЭВМ и ее последующей обработки изложены в /140, 204/. Структура СТЗ может быть представлена в следующем виде, рис.17.9 /145/.

Рис.17.9

Развитие СТЗ идет в направлениях совершенствования технических средств и программного обеспечения обработки изображений. Наряду с малогабаритными видиконами разрабатываются СТЗ на базе ортиконов и суперортиконов, имеющих высокую чувствительность (5 х 10^-4 лк). Из существующих промышленных систем технического зрения следует отметить СТЗ ИК-1 /131/. Ее технические параметры:

- размер изображения 512 х 512 точек,

- шаг растра 1 - 16,

- количество процессоров “Электроника- 60” - 4,

- внешняя память на гибких дисках ГМД- 7012,

- ЗУ изображений выполнено на ИС К565 РУ ЗА (512 х 512 бит),

- разрядность регистра связи с технологическим оборудованием - 16 бит.

Описание очувствленного робота ЛПИ-2 с супервизорным управлением приведено в /180/. Система технического зрения транспортного робота описана в /162/. Описание систем технического зрения, выпускаемых рядом зарубежных фирм, приведено в /144, 175,183,185,189/.

17.7. Силомоментные и тактильные датчики

Специфика проблемы создания адаптивных систем управления промышленными роботами проявляется в необходимости использования датчиков состояния внешней среды (их именуют также датчиками очувствления, сенсорными устройствами, рецепторами). Известны предложения по измерению сил (моментов) в сочленениях робота для создания силовой обратной связи с целью компенсации влияния динамики робота на устойчивость его работы. Разработаны схемы управления роботами, содержащие два контура: внешний контур - позиционное управление схватом, внутренний контур - управление со сходимостью по усилию /137, 177/. Сила, приложенная к схвату, измеряется многокомпонентным датчиком механического напряжения в запястьи схвата. Силовая обратная связь используется в схемах адаптивного исполнения.

В системах адаптивного управления токарными станками в качестве информации о протекании процесса наиболее часто используют информацию о тангенциальной составляющей силы резания, определяемой с помощью датчиков, встраиваемых под основание суппорта или револьверной головки /147/. Наибольшее распространение в качестве датчиков усилий получили тензорезисторные, индуктивные и магнитоупругие преобразователи.

Тензорезисторы. Тензорезисторы имеют малые габаритные размеры и массу. В настоящее время используются проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы. Основные характеристики тензорезисторов представлены в табл.17. 1 /147/.

Таблица 17.1

Тип тензоре- зистора	kтч	emax . 103	Iн , мА	t max , 0 c	kR
Проволочный	2 ± 0,2				± 50 · 10 -6
Фольговый	2 ± 0,2				-
Полупровод-никовый: кремниевый n - типа, кремниевый р - типа, германиевый		0,5 1,0 0,5	10 - 20 20 - 40 10 - 25		60 · 10 -4 13 · 10 -4 (30-80) · 10 -4

В таблице приняты следующие обозначения:

k_тч - коэффициент тензочувствительности;

e_max - максимально допустимая относительная деформация;

I_н - номинальный рабочий ток;

t _max - максимальная рабочая температура;

k_R - температурный коэффициент сопротивления.

Общим недостатком тензорезисторов является необходимость их приклеивания, требующая сложной технологии и оборудования. Недостатком проволочных и фольговых тензорезисторов является их невысокий коэффициент тензочувствительности. Ряд конструктивных исполнений силомоментных датчиков на основе тензорезисторов представлен в /176/. Рекомендуется мостовое соединение тензоэлементов.

Магнитоупругие преобразователи. Простейший магнитострикционный датчик состоит из катушки, помещенной на центральный стержень магнитопровода броневого типа, рис.17.9 /147/. Под действием измеряемой силы сердечник, выполненный из листов пермаллоя, деформируется и его магнитная проницаемость изменяется. Соответственно изменяется индуктивность катушки. Точность магнитострикционных датчиков ниже точности пьезоэлектрических датчиков. В отличие от тензорезисторов, регистрирующих деформацию, и индуктивных преобразователей, регистрирующих перемещения, магнитоупругие преобразователи позволяют измерять механические напряжения в чувствительном элементе.

Рис.17.10

Чувствительным элементом является корпус 1 датчика, выполненный из магнитоупругого материала - железоалюминиевого сплава с модулем упругости

2°10¹¹ Н/м². В круговой паз корпуса уложена обмотка 2. Сверху установлена бронзовая шайба 3, действующая как воздушный зазор между корпусом и крышкой 4, выполненной из магнитоупругого материала, к которой прикладывается измеряемая сила P. В зависимости от приложенной силы изменяется магнитная проницаемость элементов датчика, выполненных из магнитоупругого материала, и соответственно индуктивное сопротивление измерительной обмотки 2.

Датчики выпускают 10-ти типоразмеров на нагрузку от 1600 до 10⁵ H. Высота датчиков 8 мм, диаметр соответствует измеряемой силе. Нелинейность нагрузочной характеристики 5 %, разрешающая способность ± 1 %, погрешность измерений при нагружении аттестованными грузами составила 1,7%. За рубежом разработаны различные конструктивные исполнения магнитоупругих измерительных преобразователей момента /147,176/.

Индуктивные преобразователи. В сверлильных станках основной характеристикой, используемой для управления, является крутящий момент. Для измерения крутящего момента могут быть использованы индуктивные преобразователи. Конструкция такого преобразователя описана в /147/.

Тактильные датчики. Тактильные датчики представляют собой чувствительные элементы, реагирующие на контакт, прикосновение, проскальзывание. С помощью тактильных датчиков можно определить момент соприкосновения схвата робота с объектом манипулирования, получить информацию об усилиях и давлениях, возникающих при взаимодействии робота с предметами. На основании этой информации управляющая ЭВМ вырабатывает необходимые корректирующие сигналы на приводы.

Особую важность датчики тактильной информации приобретают при сборке сложных высокоточных изделий. Современные достижения в материаловедении создают предпосылки для разработки искусственных сенсоров, близких по своим возможностям к рецепторам человеческой кожи /185/.

Различие между датчиками касания и давления заключается в том, что датчики касания имеют порог срабатывания и являются релейными датчиками сил, настроенными на их заданное значение. Датчики могут быть расположены на наружных или внутренних поверхностях пальцев схвата, которые при сжатии остаются параллельны друг другу. В простейшем случае в качестве тактильных датчиков могут быть использованы микропереключатели, конечные выключатели, герконы, индуктивные преобразователи, пьезокристаллические преобразователи, электропроводящие полимеры и углеродные волокна (табл.30.11, 30.13). Примером тактильных датчиков касания являются микропереключатели типа МП-3, МП-5, МП-7. В составе тактильных и силомоментных датчиков применяют фольговые тензопреобразователи типа ФКПА, ФКАД, ФК-ПВ, ФК-РА. Ряд схем силомоментных датчиков представлен в /140, 141, 180/.

Тактильные датчики как средство адаптации к внешней среде нашли применение в промышленных роботах. Основные задачи, решаемые тактильными датчиками следующие:

- определение местоположения предметов манипулирования;

- контроль наличия объекта в схвате;

- классификация объектов простых форм;

- определение размеров объекта;

- определение веса детали в схвате;

- осуществление регистрации распределения силового воздействия при выполнении сборочных операций.

Распознавание формы объекта путем ощупывания требует объединения тактильных датчиков в матрицы. Например, матрицы выполняют на основе пьезорезисторных чувствительных элементов, меняющих свое омическое сопротивление под действием нагрузки /128, 177/. Электрическая схема фрагмента матрицы представлена на рис. 17.11.

Рис.17.11

На рисунке: 1 - чувствительный элемент; 2 - полупроводниковая пластина;

3 - шина столбца; 4 - шина строки.

Если чувствительный элемент не вошел в контакт с поверхностью объекта или испытывает небольшие усилия сжатия, то его омическое сопротивление велико и напряжение питания не проходит на шину столбца 3. Распределение падений напряжений на чувствительных элементах дает информацию о положении и форме объекта манипулирования.

Чувствительные к давлению датчики могут представлять собой и пьезоэлектрические кристаллы, погруженные в эластичный полимер. Описание устройства и принципа действия пьезоэлектрических датчиков и характеристики пьезоэлектрических материалов представлены в /176/. С выхода пьезоэлектрического преобразователя снимается электрический сигнал, значение которого пропорционально величине давления. Как правило, сигнал пьезоэлектрического датчика усиливается с помощью усилителя напряжения. В настоящее время для преобразования усилий в электрические сигналы все шире используется поливинилиден (PVF₂), обладающий пьезоэлектрическими свойствами и имеющий ряд преимуществ по сравнению с электропроводной резиной /189/.

Имеются работы по созданию тактильных матриц из магнитных диполей в эластичном материале, по применению пьезоэлектрической пленки, идут работы по поиску материалов для идеальной искусственной кожи (эластомеры, силиконовые каучуки) и ее интеграции с датчиками /185/. Идут работы по созданию тактильных датчиков на архитектуре, используемой для изготовления больших интегральных микросхем, что позволит производить обработку тактильных образов, разгружая тем самым управляющую ЭВМ /189/.

Бесконтактное рецепторное поле можно создать с помощью локационных датчиков, работающих на различных принципах излучения /140, 141,189/. В ЦНИИ РТК разработаны схваты с ультразвуковыми локационными датчиками, со светолокационными датчиками, совершенствуются системы технического зрения /180/.

Глава 18. СИСТЕМЫ ОТСЧЕТА И ПЕРЕДАЧИ УГЛА

18.1. Системы отсчета угла с амплитудными преобразователями

Широкое применение дискретных систем автоматического управления определяет большую потребность в цифровых преобразователях угла (ЦПУ). В настоящее время разработано значительное число различных типов ЦПУ, в том числе системы с амплитудными преобразователями. Одной из первых разновидностей амплитудных преобразователей были преобразователи, формирующие код угла через код тангенса этого угла /9,14,186, 198/. Функциональная схема такого устройства представлена на рис.18.1.

Рис.18.1

От СКВТ напряжения U₂ , U₃ подаются на формирователь напряжения, пропорционального тангенсу угла a. Для однозначного определения угла в пределах 360⁰ используются напряжения синусной и косинусной обмоток. Угол поворота вала в пределах 360⁰ делится на восемь равных частей по 45^°. Для этого определяют фазу синусной обмотки (на интервале 180^°), сравнивают фазы напряжений синусной и косинусной обмоток (на интервале 90^°) и амплитуды напряжений синусной и косинусной обмоток (на интервале 45^°), затем определяют напряжение, пропорциональное отношению

U_m sina / U_m cos a = tga. (18.1)

Это напряжение подают на преобразователь “напряжение - код” (ПНК), где определяется код tga. Затем в функциональном преобразователе (ФПК) по коду tga находится код угла a. В пределах 45^° зависимость a = arctga приблизительно линейна.

Возможно нахождение кода угла a с помощью формирователя кода tga и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). Формирователь кода тангенса имеет следующие характеристики: время преобразования 140 мкс, максимальная приведенная погрешность воспроизведения уровней квантования 0,1%. Код tga поступает на адресные входы ПЗУ, запрограммированного по закону арктангенса в диапазоне от нуля до 45^°. ПЗУ формирует на выходе код угла a. Электронная схема описанного устройства приведена в /186, 198/. Недостатком преобразователей с промежуточным формированием tga является переменная дискретность, вызванная нелинейной зависимостью тангенса от угла a.

От промежуточных операций вычисления tga можно уйти с помощью метода нахождения угла a по апроксимирующим функциям. Наиболее простой апроксимирующей функцией (в пределах первого октанта) является зависимость

a = sina/(cosa + k sina), (18.2)

где k - расчетный коэффициент.

Погрешность апроксимации по этой формуле при k = 0,25 составляет 1,15^°. Физическая реализация функционального преобразователя по зависимости (18.2) представлена на рис.18.2.

Рис.18.2

На рисунке: ОУ - операционный усилитель, ПНК - преобразователь “напряжение - код”.

Значительно меньшую погрешность, не превышающую 1^’, дает следующая зависимость

a = (sina -cosa)/(0,732 + 0,268(sina + cosa)), (18.3)

реализованная в функциональном преобразователе, рис.18.3.

Рис.18.3

На рисунке: ДM1, ДM2 - демодуляторы, В- выпрямитель, ФС - формирователь сигнала, равного значению (sin²a + cos²a) = 1 о.е., U_оп - опорное напряжение, равное напряжению возбуждения СКВТ.

Ряд структур построения функциональных преобразователей подобного типа и пути их совершенствования приведены в /186/. Снижение методической погрешности достигается усложнением схем амплитудных преобразователей.

Функциональные преобразователи угол - код могут быть выполнены также на базе сельсинов. Ряд схем таких преобразователей представлен в /186/.

18.2. Фазовращатели

На базе СКВТ можно построить цифровые датчики угла поворота вала в виде циклических преобразователей “угол- фаза-временной интервал- код”. Фазовращатель может быть выполнен с использованием СКВТ, работающего в однофазном или двухфазном режиме. Выходное напряжение фазовращателя, оставаясь неизменным по амплитуде, изменяется по фазе линейно в зависимости от угла поворота ротора. Цифровой преобразователь угла может быть выполнен 16-разрядным и иметь погрешность ± 1¢.

Однофазный фазовращатель. В однофазном фазовращателе временной сдвиг по фазе выходного напряжения в зависимости от угла поворота ротора достигается параметрическим способом, то есть с помощью фазосдвигающей цепочки RC. Принципиальная схема однофазного фазовращателя представлена на рис.18.4. Обычно выполняется первичное симметрирование.

Рис.18.4

Выходное напряжение фазовращателя

U_вых = U_max sin(wt - j₁ - a), (18.4)

где j_{1 -} фазный угол, зависящий от параметров выходной обмотки СКВТ и сопротивлений X _c , R и R _н ; a- угол поворота ротора СКВТ.

Рекомендуется иметь

R = 1/wC >> 2 r₂; R_н > 2 R; r₂ = x₂, (18.5)

где r₂ , x₂ - омическое и индуктивное сопротивления вторичной обмотки СКВТ.

Если последнее равенство не выполняется, рекомендуют увеличить значения сопротивлений X_c и R /14/. Ряд схем преобразователей фаза- код представлено в /186/. Схема простейшего преобразователя содержит: СКВТ, два формирователя импульсов, триггер, высокочастотный генератор импульсов, управляемый выпрямитель, счетчик импульсов, преобразователь “ число импульсов- код”, рис.18.5.

Рис.18.5

На первый формирователь импульсов (ФИ-1) поступает опорное напряжение (напряжение питания обмотки возбуждения СКВТ), а на второй ФИ-2 поступает напряжение с выхода фазовращателя. В момент перехода напряжений с отрицательной полуволны на положительную формирователи импульсов ыдают синхронизирующие импульсы на триггер. Синхронизирующий импульс ФИ-1 активизирует триггер и он открывает управляемый выпрямитель (УВ). Импульсы высокочастотного генератора импульсов (ВЧГ) поступают на счетчик импульсов (Сч.И). Синхронизирующий импульс ФИ-2 подается на второй вход триггера и опрокидывает триггер. Вентили управляемого выпрямителя запираются, поступление импульсов с ВЧГ на счетчик импульсов прекращается. Так электронная схема преобразователя фиксирует разность фаз между опорным и выходным напряжениями и преобразует ее во временной интервал, пропорциональный углу поворота ротора, измеряемый с помощью заполнения импульсами от ВЧГ калиброванной частоты. Преобразователь “число импульсов - код” (ПЧИК) выдает код угла на регистр памяти (РП). Диаграммы напряжений представлены на рис. 18.6.

Рис.18.6

Число импульсов в пачке строго соответствует углу поворота ротора фазовращателя. Для двухполюсного фазовращателя, работающего в диапазоне 360^°, погрешность отсчета угла

Da = f_в 360^°/ f_вчг , (18.6)

где f_в - частота напряжения возбуждения СКВТ, f_вчг - частота высокочастотного генератора импульсов.

Двухполюсные СКВТ в режиме фазовращателя обеспечивают погрешность в пределах 15 - 45^¢. Анализ погрешностей фазовращателя от неравенства активных и индуктивных сопротивлений вторичных обмоток, от неравенства сопротивлений взаимной индукции вторичных обмоток, от неперпендикулярности вторичных обмоток, от несинусоидальности напряжения источника питания и кривой выходного напряжения, от изменения частоты питающего напряжения, от наличия емкостной связи между вторичными обмотками, от изменения температуры окружающей среды приведен в /14/.

Для повышения точности отсчета угла преобразователь может быть выполнен двух-канальным. В этом случае точность отсчета угла определяется напряжением многополюсного СКВТ, формирующего напряжение канала точного отсчета

U_вых то = k_трU_m1 sin(wt- р_пa), (18.7)

где p_п - число пар полюсов СКВТ канала точного отсчета.

Каждый из каналов работает в режиме фазовращателя. Погрешность двухканального преобразователя равна

Da _то =Da _го / р_п. (18.8)

Ряд цифровых следящих электроприводов с двухканальными структурами отсчета угла на базе СКВТ описан в /206/. Как показали экспериментальные исследования инструментальная погрешность таких преобразователей на базе ВТ-100 (класса 0,3) не превышает 10^², погрешность преобразователя типа МХИТАР-3 не превышает ± 5^².

Двухфазный фазовращатель. Простейшая схема фазовращателя с вращающимся магнитным полем представлена на рис.18.7. На две фазы статора СКВТ подается переменное напряжение со сдвигом фаз на угол p/2. Обмотки статора, сдвинутые между собой на угол p/2, создают вращающееся магнитное поле, которое наводит в выходной обмотке ЭДС, фаза которой смещена относительно фазы опорного напряжения на угол поворота ротора a. Выходное напряжение

U_вых = k_тр(U_m1 sinwt sina + U_m1 coswt cosa) = k_трU_m1 sin(wt- a), (18.9)

или U_вых = k_трU_m1 e^ja . (18.10)

Рис.18.7

Принцип отсчета угла аналогичен изложенному выше для однофазного фазовращателя. Ряд функциональных схем отсчета угла представлен в /199/. Схемы двухфазных фазовращателей повышенной точности представлен в /186/.

Непрерывно повышающиеся требования к точности, исчисляемые долями угловых минут и даже несколькими угловыми секундами в широком диапазоне угла поворота, привели к появлению прецизионных измерительных систем с электрической редукцией. Например, двухканальные фазовращатели на базе СКВТ применяемые в качестве датчиков положения в промышленных роботах с повышенной точностью позиционирования, рис.18.8.

Рис.18.8

Принцип электрической редукции заключается в том, что при повороте вала выходное напряжение канала грубого отсчета изменяется на один период, а выходное напряжение канала точного отсчета на число периодов, равное отношению чисел пар полюсов p_то/p_го , которое называют передаточным отношением электрической редукции k_эл.ред. Значение k_эл.ред в зависимости от требований точности может изменяться от 8 до 256 и более /14/. Погрешность измерения такой информационно- измерительной системы равна

Da_то = Da_го/ k_эл.ред. (18.11)

Работа многоканального фазовращателя описана в /56/. Для повышения точности отсчета угла рекомендуется в цепь косинусной выходной обмотки канала грубого отсчета ввести регулировочное сопротивление в виде параллельно включенных регулируемого резистора и конденсатора /16/. В качестве преобразователя в канале точного отсчета часто применяют индуктосины /31/.

18.3. Дистанционные одноканальные системы передачи угла

Системы, используемые для дистанционной передачи угла, называют синхронными передачами. Они состоят из датчика, приемника и линии связи между ними. По своим функциям синхронные передачи разделяются на индикаторные, имеющие на валу приемника только указатель (стрелка, лимб) и измерительные, предназначенные для измерения угла рассогласования между валами датчика и приемника, как правило, с последующей отработкой этого рассогласования. Типовые схемы систем передачи угла отличаются, главным образом, структурой измерительной части и способом образования сигнала рассогласования. Наиболее распространены одноканальные следящие системы, работающие в индикаторном и трансформаторном режимах, двухканальные следящие системы с механическим редуктором или с электрической редукцией. В этих следящих системах в качестве измерительных элементов могут применяться различные типы датчиков, представленных в гл.16.

С помощью СКВТ в настоящее время выполняются наиболее точные одноотсчетные системы трансформаторной синхронной передачи. Структурная схема такой системы дистанционной передачи угла представлена на рис.18.9.

Рис.18.9

Обмотки статоров вращающегося трансформатора датчика (ВТД) и вращающегося трансформатора приемника (ВТП) образуют цепи синхронизации. Переменный ток возбуждения обмотки статора ВТД создает пульсирующий магнитный поток, который наводит ЭДС в обмотках ротора этогоСКВТ. Под действием этой ЭДС в цепях синхронизации протекают токи I_s , I_c и I_o = I_s + I_c. Обмотка синхронизации ВТП создает пульсирующий магнитный поток, вектор которого вращается синхронно с поворотом ротора ВТД. Этот магнитный поток наводит в выходной обмотке ВТП ЭДС, которая через усилительное устройство подается на обмотку управления исполнительного электродвигателя. В качестве выходной обмотки ВТП, как правило, используется квадратурная обмотка СКВТ, которую часто называют обмоткой управления.

Предположим, что в исходном состоянии системы выходное напряжение ВТП равно нулю. При повороте ротора ВТД на угол a₁ относительно исходного положения поток синхронизирующей обмотки ВТП также поворачивается на угол a₁ и в обмотке управления ВТП наводится ЭДС, пропорциональная sina. Усиленное выходное напряжение, подаваемое на обмотку управления исполнительного электродвигателя, приводит ЭМС в движение. Электродвигатель вращает объект управления и одновременно ротор ВТП. При отработке угла a₂ = a₁ ЭДС выходной обмотки управления ВТП снижается до нуля.

При разработке современных автоматических устройств необходимы системы передачи угла, обладающие высокой точностью (погрешность ± 1') при повороте входной оси на углы до 360^°. Погрешность систем передачи угла представляет собой разность между угловыми положениями роторов датчика и приемника после отработки двигателем системы заданного угла. Эта погрешность складывается из погрешностей измерительных элементов датчика и приемника системы, погрешности застоя и погрешности от дрейфа нулевого положения датчика и приемника, погрешности усилительно-преобразовательного блока, погрешностей шестерен в системах отсчета, погрешностей от установки или сочленения с валом двигателя или осью прибора. Часто перечисленные выше погрешности либо оказываются соизмеримыми, либо составляют значительный процент от погрешности измерительных элементов. Так, например, погрешность застоя находится в пределах 0,1^¢- 0, 3^¢. При уменьшении зоны застоя за счет увеличения коэффициента усиления требуется применять более сложные корректирующие цепи. Погрешность дрейфа нуля находится в пределах 0,1^¢- 0,4^¢. В некоторых случаях важным требованием является маломоментность датчика. Отсутствие щеточного контакта снижает момент сопротивления датчика, что уменьшает ошибку застоя. Погрешности СКВТ, работающих в системах передачи угла, от различных факторов достаточно полно проанализированы в /5/.

Системы с СКВТ имеют большую точность по сравнению с сельсинами. Погрешность передачи угла сельсинами находится в пределах ± (10 - 30)^¢, при использовании СКВТ ± (2 - 5)^¢. Сельсины применяют, как правило, для трехфазных систем. В качестве датчика положения в системах передачи угла могут быть использованы индуктосины.

Существующие одноканальные синхронно-следящие системы часто не удовлетворяют требованиям точности высокого порядка. Даже при специальной технологии изготовления чувствительных элементов точность синхронной передачи определяется погрешностью ± 10¢.

18.4. Двухканальные системы передачи угла

Двухканальная система дистанционной передачи угла на СКВТ. Для снижения инструментальной погрешности применяют двухканальные системы передачи угла. Двухканальная система передачи угла имеет два ВТД и два ВТП. Обмотки синхронизации расположены на статорах СКВТ. Ротор ВТД грубого отсчета (ВТДГО) приводится во вращение оператором: М_оп , a_оп. Ротор ВТД точного отсчета (ВТДТО) связан с ротором ВТДГО мультипликатором, ускоряющим частоту вращения, с передаточным числом i_то. Угол рассогласования точного отсчета q_то= q_го i_то . Аналогично связаны ротора ВТПТО и ВТПГО. Принципиальная схема системы представлена на рис.18.10.

Рис. 18.10

В системах передачи угла сигналы рассогласования ГО и ТО поступают на вход усилительного устройства через селектор, который обеспечивает автоматическое переключение системы с одного канала на другой /14/. Усилитель работает таким образом, что при малом угле рассогласования для управления

двигателем используется выходное напряжение канала точного отсчета, а при больших значениях угла происходит автоматическое переключение на управление двигателем с помощью выходного напряжения канала грубого отсчета. Исполнительный двигатель через редуктор поворачивает объект управления и роторы ВТПГО и ВТПТО на заданный угол. Следящая система приводится в согласованное положение с погрешностью канала точного отсчета. Канал ТО подключается к усилителю после работы канала ГО, так как он имеет i_то положений устойчивого равновесия, в связи с тем, что период изменения амплитуды ЭДС ВТПТО в i_то раз меньше по сравнению с ЭДС ВТПГО, рис.18.11.

Рис.18.11

При использовании в каналах грубого и точного отсчетов одинаковых СКВТ амплитуды выходных напряжений будут одинаковы, однако крутизна выходного напряжения канала точного отсчета в i_то раз выше, чем канала грубого отсчета. Соответственно в i_то раз снижается погрешность дистанционной передачи угла. Рекомендуют выбирать i_то нечетным, так как при четном i_то точка устойчивого равновесия канала ТО совпадает с точкой неустойчивого равновесия канала ГО и возникает “ложный нуль” и потеря самосинхронизации. Для ликвидации “ложного нуля” приходится вводить опорное напряжение (напряжение сдвига), смещающего напряжение ГО по оси абсцис.

Погрешность двухканальной системы передачи угла в i_то раз меньше погрешности одноканальной системы. Однако появляются дополнительные погрешности: Dq _ред - угловая ошибка в зацеплении редуктора (порядка 2-4^’) и ошибка за счет люфта (порядка 1^’). Таким образом

Dq _то =Dq_го / i_ред + Dq _ред. (18.12)

Увеличение передаточного отношения редуктора дает существенное снижение погрешности передачи угла только до тех пор, пока погрешность Dq_то не становится соизмерима с Dq _ред . Кроме того, увеличивается момент сопротивления повороту входной оси системы, что затрудняет передачу угла от маломощных устройств. Поэтому в двухканальных системах передаточное отношение редукторов обычно не превышает 33 / 10 /. Эти ошибки отсутствуют в системах с электрической редукцией.

Одним из основных элементов двухканальной системы передачи угла является синхронизирующее устройство, обеспечивающее надежное переключение каналов.

Синхронизирующее устройство (селектор). Наибольшее распространение получили схемы с суммированием выходных напряжений каналов грубого и точного отсчетов. На рис.18.12 представлена схема селектора с полупроводниковыми диодами с суммированием напряжений каналов грубого и точного отсчетов /14/.

Рис. 18.12

При большом угле рассогласования напряжение канала грубого отсчета велико, диоды Д₂ открыты, падение напряжения на сопротивлении R₃ значительно. При открытых диодах Д₁ большая часть падения напряжения канала точного отсчета приходится на сопротивление R₁. Выходное напряжение селектора равно сумме падения напряжений на сопротивлениях R₂ - R₃ .

При малых углах рассогласования на входе синхронизирующего устройства напряжение канала точного отсчета значительно больше напряжения канала грубого отсчета. Сопротивление R₂ выбирается большим, чем сопротивление R_1. При малом напряжении диоды Д₁ имеют очень большое сопротивление, поэтому большая часть напряжения канала точного отстета падает на сопротивлении R₂, а выходное напряжение канала грубого отсчета падает на диодах Д₂, так как R₃ мало (R₃ @ R_д). На выходе селектора преобладает напряжение канала точного отсчета. Для надежной работы селектора рекомендуется соблюдать условие

U_го / U_то.max £ 1,5 - 2, которое выполняется подбором сопротивлений R₁, R₂ и Д₁ /14/.

Двухканальная система передачи угла с электрической редукцией. В двухканальной системе передачи угла с электрической редукцией ВТДГО имеет число полюсов равное 2, а ВТДТО выполнен многополюсным. Передаточное отношение i_то = р_то /р_го . Оба ВТД находятся на одной оси. В двухканальных системах с электрической редукцией наряду с раздельно выполненными двухполюсными и многополюсными СКВТ используются совмещенные конструкции. В совмещенной конструкции использован один магнитопровод для двухполюсной и многополюсной пар обмоток. Двухполюсная и многоплюсная обмотки уложены в одни и те же пазы магнитопровода статора и ротора. Аналогично выполнены приемники ВТПГО и ВТПТО. Погрешность передачи угла

Dq _то = Dq_го / i_то = Dq_го / p_то. (18.13)

Благодаря отсутствию механического редуктора резко уменьшается момент сопротивления повороту входной оси, что создает возможность передачи углового перемещения от маломощных устройств. Некоторые данные двухканальных СКВТ представлены в табл.30.3.

В двухканальных системах с электрической редукцией передаточное отношение равно 32; 64. Вращающиеся трансформаторы с большим числом полюсов имеют весьма большие размеры, поэтому наиболее перспективным является применение для канала ТО индуктосинов или двухфазных редуктосинов с числом зубцов ротора 64, 128, 256.

Принципиальная схема следящей системы, состоящей из индуктосина канала точного отсчета в паре с двухполюсным сельсином представлена на рис.18.13 /5/. Каналал грубого отсчета представлен на рисунке схематично. Поворотные индуктосины имеют равное число пар полюсов.

Рис.18.13

Применяют двухканальные системы передачи угла, в которых в канале ГО использованы двухполюсные СКВТ, а в канале ТО использованы индуктосины /31/. Минимальная погрешность такой системы ± 1 - 5^”. В паре с двухполюсными СКВТ применяют также редуктосины. Минимальная погрешность такой системы ± 10 - 30^” /8/.