Главная > Разное > Конструирование роботов
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

7.7.3. Индуктивные датчики положения

Датчики на основе дифференциального трансформатора. Принцип их действия состоит в следующем: сердечник из магнитного материала перемещается относительно двух неподвижных катушек, изменяя тем самым их взаимную индуктивность. Этот датчик может измерять как линейные, так и угловые положения и работает на переменном токе без контактов. Он наиболее пригоден для определения малых перемещений и обеспечивает при этом высокое качество измерений.

Машины синхронной связи. К машинам синхронной связи относится большое число микромашин с вращающимися роторами, работающих на переменном токе постоянной частоты (50, 400, 2000, 10000 Гц и т.д.)

Рис. 7.19. Устройство поворотного трансформатора.

На рис. 7.19 приведена схема одного из вариантов машины синхронной связи, которая обязательно содержит обмотку возбуждения, намотанную на пакет пластин ротора, и одну или несколько обмоток синхронизации, намотанных на пакет пластин статора.

По конструкции машины синхронной связи аналогичны электрическим машинам переменного тока (генераторам и двигателям), но они используются для других целей, так как якорь возбуждается не непрерывно, а лишь при поступлении сигнала управления. Питание якоря обычно осуществляется с помощью щеток, трущихся по двум кольцам. В настоящее время

существуют системы без щеток, в которых для передачи энергии ротору используется вращающийся трансформатор.

Машины синхронной связи могут быть выполнены в виде удлиненных или плоских конструкций, в компактных корпусах или из произвольно комбинируемых блоков. Взаимная индуктивность между ротором и статором зависит от относительного пространственного расположения их обмоток (она максимальна, когда оси катушек совпадают, и равна нулю, когда оси пространственно сдвинуты на 90°), поэтому данные машины подобны трансформаторам, коэффициент усиления которых пропорционален синусоидальной функции положения Часто машины с тремя обмотками, пространственно смещенными относительно друг друга на называют сельсинами, устройства с двумя обмотками в одном квадранте, т. е. сдвинутыми на поворотными трансформаторами, а устройства с одной обмоткой статора — индуктивными потенциометрами. Примечание 1. Машины синхронной связи электрически обратимы, и обмотки возбуждения могут располагаться на статоре. Примечание 2. По функциональному назначению одни машины относятся к датчикам, другие — к приемникам. Первые из них являются действительно датчиками, угол поворота ротора которых зависит от величины измеряемых характеристик. Вторые же работают как двигатели: положение ротора (свободного от механических связей) в них определяется электромагнитным взаимодействием, возникающим при подаче сигналов на обмотки статора и ротора. Для создания вязкого трения на валу ротора приемники оснащаются дополнительным электромагнитным устройством (амортизатором).

Индикаторная синхронная передача. В системе синхронной передачи роторы датчика и приемника питаются одним и тем же напряжением, а клеммы обмоток статора соединены между собой. Обозначим через положения роторов датчика и приемника. На ротор приемника воздействует синхронизирующий момент

Отметим, что данная зависимость близка к закону изменения момента упругих сил при малых угловых отклонениях. Таким образом, приемник отслеживает угловое положение датчика. При этом колебания, присущие любой системе, представимой схематически в виде пружины и вала с определенным моментом инерции, ослабляются или устраняются с помощью упомянутого выше амортизатора.

Данная система синхронной связи служит для аналоговой индикации (т. е. для перемещения легкой уравновешенной указательной стрелки прибора) или для передачи на расстояние

измеряемого углового положения оси, но не представляет интереса для робототехники. Однако этот принцип связи используется в одном из основных применений сельсинов.

Слежение с помощью систем синхронной связи (следящий привод). В данном случае датчик закрепляется на задающем валу, а приемник — на выходном валу, связанном с приводом системы автоматического регулирования. Подобная схема редко применяется в робототехнике и встречается либо в режиме обучения (при ручном дистанционном управлении, когда копирующий манипулятор оснащен датчиками), либо в следящих, системах двустороннего действия.

Поскольку клеммы статоров соединены между собой, а питание подается лишь на одну роторную обмотку, то с обмотки другого ротора снимается напряжение, амплитуда которого является синусоидальной функцией угла рассогласования:

Полученный сигнал напряжения после демодуляции можно использовать для управления приводом, отслеживающим положение некоторой оси.

Примечание. Данные системы синхронной связи могут использоваться как для проведения некоторых аналоговых вычислений (преобразование координат), так и в качестве следящих систем, обеспечивающих высокую точность.

Поворотные трансформаторы. При подаче на обмотку ротора напряжения

на статорных обмотках возникают напряжения

где К — коэффициент трансформации, сдвиг по фазе (постоянный для заданной частоты питания). Из уравнений (7.77) можно определить угол с точностью до Однако при непосредственном использовании полученных амплитуд напряжений точность невелика из-за искажения, вносимого гармониками, отстающими по фазе от полезного напряжения на

Поэтому рекомендуется измерять методом синхронной демодуляции, используя опорный сигнал (не совпадающий с напряжением на роторе)

Этим способом легко получить точность измерения по дуге порядка 3 мин (7200 точек за один оборот). При использовании многополюсных (а не двухполюсных) поворотных трансформаторов эта точность увеличивается и может достигать пяти дуговых секунд.

Совместное использование электронно-цифровых преобразователей и поворотных трансформаторов. Возможны различные варианты совместного применения электронных преобразователей и поворотных трансформаторов, особенно в системах автоматического регулирования, в которых управляющий сигнал задается в цифровой форме. Приведем несколько примеров.

1. На ротор подается синусоидальное напряжение; напряжения на статоре демодулируются и преобразуются в цифровую форму с помощью линейных аналого-цифровых преобразователей. Данные по готовы к обработке на ЭВМ.

2. На обмотки статора подаются синусоидальные напряжения, сдвинутые по фазе на При этом на роторе возникает напряжение

Величину можно измерить с помощью цифрового фазометра (подсчет числа импульсов таймера, посылаемых за интервал времени между прохождением через нуль напряжения на роторе и нуль опорного напряжения). На статор можно также подавать импульсы напряжения прямоугольной формы, при получении которых легче добиться высокой точности в сдвиге фаз на при этом напряжение на роторе фильтруется до измерения сдвига фаз.

3. На статор поочередно подаются импульсы напряжения прямоугольной формы с круговой частотой в полосе частот соответственно шириной и Их основные составляющие пропорциональны соответственно При фильтрации сигнала напряжения на роторе, повернутого на угол получим напряжение

амплитуда которого является синусоидальной функцией угла рассогласования После демодуляции этот сигнал подается на вход прямой цепи системы с обратной связью без усиления, выходной сигнал которой воспроизводит

Рис. 7.20. (см. скан) Структурная схема системы аналого-цифрового преобразования с поворотным трансформатором.


полученный «задающий» сигнал В эту цепь входят фильтр с двойным интегратором, амплитудно-частотный преобразователь и счетчик, содержащий в цифровом коде координату в зависимости от значения которой вырабатываются селектирующие импульсы (рис. 7.20).

Для получения синусоидальных во времени сигналов на статоре можно использовать другие устройства при воспроизведении из постоянной памяти ЭВМ табулированных функций синуса и косинуса.

Измерения с высокой точностью. Существуют различные способы проведения измерений с высокой точностью.

• Использование двух и более поворотных трансформаторов: один из них приводится в действие с помощью вала, положение которого требуется измерить, и выдает приближенное значение; другой поворотный трансформатор, приводимый в действие с помощью передачи мультипликатором (например, с передаточным отношением 100), выдает точное значение.

• Использование вместо первого поворотного трансформатора системы счета числа оборотов второго поворотного трансформатора. Данные измерения не дают абсолютно точных значений полученных величин.

• Размещение двухполюсных или многополюсных (например, 32 пары полюсов) обмоток на одном и том же валу и даже на якоре поворотного трансформатора приводит к результатам, эквивалентным полученным в первом способе.

• Использование круговых или линейных индуксинов. Рассматриваемые системы имеют много общего с многополюсными поворотными трансформаторами. Они состоят из диска или рейки, на которые нанесены полюсы по технологии печатных схем (на диск — до 360 пар полюсов, на рейку — со стандартным двойным расстоянием между соседними полюсами по 2 мм), и бегунка, который относительно их перемещается. Благодаря применению этих устройств достигается повышенная точность (1 дуговая секунда при вращении и 2,5 мкм при линейном перемещении), но стоимость их высока, и они требуют очень осторожного обращения.

Заключение. Надежные, точные, с широкой полосой пропускания (зависящей от частоты напряжения питания) машины синхронной связи чрезвычайно удобны для проведения измерений в робототехнике. Эти машины могут работать без щеток при больших скоростях вращения (до 150 об/с), однако используются совместно со сложными электронными преобразователями, и стоимость их высока. К тому же необходимо очень тщательно соблюдать требования, предъявляемые к монтажу механических элементов (центровка и соосность валов и т.д.).

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление