CC BY
313
УДК 681.5
ДАТЧИКИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СЕНСОРНОЙ ПОДСИСТЕМЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
О. А. Игнатова
В качестве датчиков линейных перемещений принято решение об использовании сенсоров тросикового типа. Произведена оценка потребного быстродействия датчиков для измерения линейных перемещений. Разработана методика оценки быстродействия датчиков перемещения, предусматривающая определение скорости нарастания выходного параметра функционального преобразователя.
Ключевые слова: тросиковые датчики, привод, концевые выключатели.
Из всех возможных типов измерителей линейных перемещений (емкостные, индуктивные, магниторезистивные и т.п.) в информационноизмерительной системе рекомендовано применить тросиковые датчики, как наиболее простые, надежные и обеспечивающие требуемую точность перемещений. Конструкция датчика с тросиковым приводом показана на рис. 1.В датчик в ходит вращающийся барабан 1, на который наматывается тросик 2 и спиральная пружина 3. Тросик 2 крепится свободным концом в измеряемую точку. Пружина 3 служит для обеспечения намотки тросика на барабан. Вращение барабана измеряется с помощью измерителя 4, в качестве которого используется многооборотный потенциометр, или импульсный датчик угловых перемещений с соответствующей электронной схемой. Многооборотный потенциометр формирует аналоговый сигнал, импульсный датчик угловых перемещений формирует цифровой сигнал на выходе датчика.
Рис. 1. Тросиковый датчик
Различные варианты исполнения датчиков с тросиковым приводом показаны на рис. 2.
Рис. 2. Датчики с тросиковым приводом
Различные варианты конструктивного исполнения датчиков позволяют выбрать тип датчика для установки его в конструкцию манипуляционной системы мобильного робота. Параметры изображенных на рис. 2 датчиков сведены в таблице 1.
В качестве датчика угла поворота в системе может быть использован кодовый оптический датчики положения. Основу датчика указанного типа составляет оптический блок, включающий источник света, кодирующий элемент (оптический диск) и фотоприемник. Отверстия в кодирующем элементе обеспечивают прохождение света от источника к фотоприемнику, в результате чего формируется импульсный сигнал, который затем обрабатывается электронной семой, внешней, или входящей в состав самого датчика.
По принципу считывания сигнала различают относительные и абсолютные.
Относительные оптические датчики угла поворота генерируют информацию относительно положения и угла объекта в виде электрических импульсов, соответствующих положению вала. Если вал неподвижен, передача импульсов прекращается. Основным рабочим параметром датчика является количество импульсов на оборот. Текущее положение объекта определяется посредством интегрирования сигнала с датчика, которое в
данном случае сводится к инкрементированию/декрементированию текущего импульса. Характеристики относительных оптических датчиков приводятся в таблице 2.
Таблица 1
Параметры тросиковых датчиков линейных перемещений
Тип Рис. 2 Изм. длина Тип выхода датчика Примечание
805 а 600 мм Потенциометр, связанный с барабаном Благодаря стандартизованным интерфейсам возможно универсальное применение
801 0 б 2000 мм Потенциометрический или импульсный инкрементальный выход
БОР в 6000 мм Аналоговый выход (потенциометр или источник тока) Имеется встроенный редуктор
80Ь г 40 м Потенциометрический или импульсный инкрементальный выход Вывод тросика с поворотом на 90° для горизонтального и вертикального вытягивания
WS д 60 м Абсолютное или инкрементальное измерения Точность - 0,01%; скорость вытягивания 20 м/с
РЯБ/ ВТБ е 50 м Потенциометрический или инкрементальный выход Точность 0,05%; скорость вытягивания 4 м/с
аВК 8/РК 8 ж от 2 м до 5 м Инкрементальный, потенциометрический Точность 0,7 мм; скорость вытягивания 3,5 м/с
Таблица 2
Относительные оптические датчики угла поворота _________
Модель Число импульсов за оборот ^, об/сек е, %
ПУФ-МИНИ (Россия) 1024 100 0,04
ВЕ-178 (Россия) 5000 100 0,02
Я0Б-800 (ФРГ) 36000 5 0,000 3
Т8І-110 (Япония) 12000 100 0,004
Абсолютные оптические датчики положения (однооборотные и многооборотные) представляют информацию о положении, угле и числе оборотов объекта в форме уникальных кодов, которые соответствуют каждому шагу. Основной рабочей характеристикой для датчиков такого типа является число уникальных кодов на оборот и количество таких оборотов. Так как абсолютное положение определяется уникальным кодом, первичной установки датчика не требуется. Характеристики относительных оптических датчиков приводятся в таблице 3.
Таблица 3
Абсолютные оптические датчики угла ^ поворота _________
Модель Разрядность выходного кода ^, об/сек е, %
ЛИР-458А (Россия) 14 0,5 0,006
КОС-717 17 2 0,001
ТБ1-200 (Япония) 20 15 0,002
Концевой выключатель используется для идентификации перевода манипуляционной системы мобильного колесного робота в походное состояние. Этот режим является предельным, как при установлении угла $Ъ, так и при установлении угла г^. Ввиду повышенного значения коэффициентов влияния в данных точках, а следовательно опасности возникновения аварийных режимов, датчик целесообразно делать простейшим.
Простейшим, в данном случае, является прибор, разрывающий или устанавливающий гальваническую связь в электрической цепи, т.е. концевой выключатель.
Ч Л
Рис. 3. Концевой выключатель
В концевой выключатель (рис. 2, б) входят: кулачок 1, пружина 2, контактный преобразователь 3. Концевой выключатель такого типа просто включаются в схему ограничения положения штанги 1 или коромысла 4, приводимых в движение линейными приводами 2, 3 или 5, соответственно (рис. 4). На этом рисунке пара диодов ¥Б1 и ¥Б2 в совокупности с концевыми выключателями 81 и Б2 при обоих замкнутых выключателях позволяет подавать на якорь двигателя постоянного тока М от бортового аккумулятора Е+, Е двухполярный сигнал, формируемый с помощью усилителя БА управляющей подсистемы, а при одном замкнутом выключателе напряжение той полярности, которая позволяет перемещаться линейному
приводу в направлении, противоположном направлению перемещения, при котором сработал соответствующий концевой выключатель.
в схему оправления линейным приводом
Схема, приведенная на рис. 4, реализует т.н. «мягкий упор» и позволяет напрямую отключать двигатели постоянного тока линейных приводов. Использование сигналов Б1 и Б2 в системе управления для получения дополнительной информации затруднительно, вследствие наличия т.н. «дребезга контактов», свойственного всем контактным преобразователям. Дребезг - явление безусловно отрицательное, приводящее к нарушению нормального функционирования управляющей подсистемы. Подавление дребезга контактов целесообразно проводить на аппаратном уровне для сокращения расхода вычислительных ресурсов бортовой ЭВМ.
Существуют механические и схемотехнические способы борьбы с дребезгом. К механическим способам относятся использование контактных преобразователей ножевого типа и использование специальных сплавов для изготовления контактирующих поверхностей. К схемотехническим способам борьбы с дребезгом относятся использование фильтров, подавляющих высокие частоты и использование схем с гистерезисом.
Применяемые принципиальные схемы по борьбе с дребезгом приведены на рис. 5.
Е Е Е
а) б) в)
Рис. 5. Схемы борьбы с дребезгом: а - апериодическое звено; б, в - схемы с гистерезисом
Первая схема (рис. 5, а) подавляет первую гармонику сигнала помехи на 20 ^10 2р^ децибел, где / - частота первой гармоники помехи; T -постоянная времени фильтра, равная Я2С. Для повышения эффективности борьбы с помехами необходимо выбирать большую постоянную времени Т. Это приводит к затягиванию переходного процесса в данном элементе автоматики и может привести к нарушению штатных режимов работы в элементах, следующих за данным.
Вторая схема (рис. 5, б) подавляет дребезг только в случае, если амплитуда дребезга меньше ширины зоны гистерезиса, формируемой отношением резисторов UR2/(R3+ R2), где U - полный размах выходного сигнала операционного усилителя (Я1<< Я2, Я1<< Я3,).
В третьей схеме (рис. 5, в) происходят следующие процессы. При срабатывании контактного преобразователя возникает переходный процесс, обусловленный наличием емкости С и резистора Я2. При этом происходит подавление первой гармоники сигнала помехи в 20 log10 2р/^ где / -частота первой гармоники помехи; T - постоянная времени фильтра, равная R2C. При достижении сигналом в точке а значения величины Uпор, при достаточно большом коэффициенте передачи операционного усилителя, сигнал на его выходе скачком возрастает. Это приводит к тому, что конденсатор С начинает заряжаться от выходного сигнала операционного усилителя, а следовательно, даже при наличии остаточного влияния сигнала дребезга на входные цепи усилителя, этот сигнал уже не сказывается на срабатывании последнего.
Таким образом, сенсорная подсистема, обеспечивающая номинальные режимы функционирования манипуляционной системы мобильного колесного робота, а также требуемую точность, вполне реализуемы в рамках существующей на сегодняшний день элементной и схемотехнической базы.
Динамика переходных процессов в объекте измерения и управления оказывает существенное влияние на требования, предъявляемые к датчиком сенсорной подсистемы. Возникновение динамической ошибки во время переходного процесса, в особенности в манипуляционной системе мобильного колесного робота, где отсутствует прямой доступ к измерению регулируемого параметра (пространственное положение точки К размещения рабочего органа), приводит к тому, что отклонения от переходных процессов, особенно вблизи критических точек пространства, описанных в предыдущем подразделе, может быть существенным. Поэтому на этапе проектирования информационно-измерительной и управляющей системы необходима оценка переходных процессов в системе и ошибки переходных процессов, вызванной спецификой конструктивного исполнения манипуляционной системы.
Результаты расчета динамических режимов работы датчиков приведены на рис. 6. Переходные процессы нормированы и приведены к едини-
274
це. Входным воздействием в систему являлся единичный сигнал, подаваемый на вход двигателя привода. Выходной величиной являлась координата zК рабочего органа.
а) при V =0.8 б) при V = 0.6
в) при V = 0.4
г) при Т = 0.5 д) при Т = 0.25
Рис. 6. Переходные процессы
Постоянная времени колебательного звена определяется динамическими свойствами платформы как подрессоренной массы. На рис. 6 (а, б, в) она принималась равной единице, при этом постоянная времени привода т, определяемая, в основном массой подвижных частей манипулятора, бра-
275
лась как доля от постоянной времени Т подрессоренной платформы. На рис. 6 (г, д) за единицу считалась постоянная времени г привода, а постоянная времени подрессоренной платформы Т бралась как доля от г
Такой параметр объекта измерения и управления, как декремент затухания и, определяет перерегулирование в объекте. Он определяется диссипативными силами, действующими в механике робота. В данном конкретном случае этот параметр определяется вязким трением в демпферах подвески гусеничных движителей, или в пневматических шинах колесных движителей. При анализе переходных процессов декремент затухания менялся, что показано на рис. 6 (а, б, в) от рисунка к рисунку, и совмещено на рис. 6 (г, д).
На рис. 6 показаны переходные процессы в рабочей точке в начале продольного движения, при наличии продольного ускорения. Ошибка возникает за счет формирования опрокидывающего момента, вызывающего продольные угловые колебания подрессоренной платформы. Амплитуда ошибки определяется соотношением момента инерции платформы с установленной манипуляционной системы и ускорения, развиваемого системой передвижения.
Параметры при расчетах брались теми же, что и при расчетах переходных процессов. На рис. 7 постоянная времени собственных колебаний платформы Т принималась равной единице, а постоянная времени привода продольного движения г бралась как доля от постоянной времени Т подрессоренной платформы. На рис. 9 за единицу считалась постоянная времени г привода, а постоянная времени подрессоренной платформы Т бралась как доля от г Все расчеты проводились для разных значений затухания и. декрементов.
а) б)
Рис. 7. Угол &платформы при трогании робота: а - и = 0.8; б - и= 0.6
Рис. 8. Ошибка переходного процесса при и= 0. 4
а) б)
Рис. 9. Угол &платформы при трогании робота: а - Т = 0.25; б) Т = 0.5
По графикам, приведенным на рис. 6 может быть оценено потребное быстродействие датчиков, измеряющих перемещение. Это производится по следующей методике.
Методика: Оценка быстродействия датчиков перемещения.
1. По кривой переходного процесса, соответствующего параметра манипуляционной системы определяется скорость этого параметра (например, величины zK).
2. По скорости нарастания zK обратным пересчетом в одну из измеряемых (регулируемых) величин, L1, L2 или Lз, определяется скорость нарастания соответствующей величины.
3. Быстродействие датчика этой величины выбирается равным 10 20 скоростей нарастания измеряемой величины.
Список литературы
1. Цербст М. Контрольно-измерительная техника. М.: Энергоатом-издат, 1989. 319 с.
2. Фрайдек Дж. Современные датчики: Справочник. М.: Техносфера, 2005. 592 с.
3. Прокунцев А.Ф., Юмаев Р.М. Преобразование и обработка информации с датчиков физических величин. М.: Машиностроение, 1992. 283 с.
Игнатова Ольга Александровна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
SENSORS USED IN TOUCH SUBSYSTEM INFORMATION-MEASURING SYSTEM
O.A. Ignatova
As a linear encoders decided to use wire-type sensors. The evaluation of the performance of required sensors to measure linear displacements. Developed a method of estimating the speed of displacement sensors, providing for the slew rate of the parameter function of the converter.
Key words: wire-sensors, actuators, limit switches.
Ignatovа Olga Aleksandrovna, candidate of technical science, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.5(075.8)
ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ ПАРАМЕТРОВ ОПТИКОЭЛЕКТРОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В РЕЗУЛЬТАТЕ
НЕСОГЛАСОВАННОСТИ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ.
Т.Р. Кузнецова
Исследованы статические характеристики электронной части оптикоэлектронных преобразователей, в частности, усилителя с обратной связью и аналогоцифрового преобразователя.
Ключевые слова: информационно-измерительная система, погрешность параметров элементов, статические характеристики.
Задача проектирования информационно-измерительной системы включает в себя выбор структуры и конструктивной схемы системы, установление зависимостей вида
