Датчики углов поворота в системах управления ПТМ, роботов и манипуляторов

Цепкова А.А., Ромашко А.М. МГТУ им.Баумана

Одной из основных тенденций совершенствования подъемно-транспортных машин (ПТМ) является их автоматизация.
Основными задачами автоматизации являются:

• создание комфортных условий работы оператора
• обеспечения безопасности и др.

В настоящее время среди ПТМ наиболее автоматизированными являются промышленные роботы. Существует много других роботов-манипуляторов, которые по своим функциям и конструкции схожи с традиционными подъемно-транспортными манипуляторами.

Система управления и элементы систем управления широкого класса манипуляторов и роботов стимулируют развитие систем управления традиционной ПТМ. Таким, в частности, является робот-манипулятор, который все шире внедряется в медицинскую практику. Основным исполнительным устройством медицинского робота-манипулятора является многозвенный манипулятор.

Манипуляторы применяются в качестве ассистентов хирургов при выполнении сложных, требующих высокой точности и/или имеющих большую продолжительность операций. В связи с этим манипулятор должен иметь высокую степень точности позиционирования инструмента. Так как манипулятор состоит из последовательно соединённых подвижных звеньев, которые связаны с помощью вращательных и/или поступательных кинематических пар, то точность позиционирования инструмента достигается за счет точности позиционирования каждого звена. Для ее отслеживания и обеспечения в конструкции каждой вращательной кинематической пары используется датчик угла поворота.

В текущей работе сделана попытка анализа и классификации датчиков угла поворота, используемых в современных системах управления.

Датчики угла поворота можно классифицировать по следующим параметрам:

• по виду выходной электрической величины
• по принципу действия
• по величине погрешности измерения
• по способу обеспечения питания

В качестве выходной электрической величины может выступать аналоговый (непрерывный во времени) сигнал или цифровой (дискретный) сигнал. В первом случае необходимо использовать аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

По принципу действия (по принципу преобразования физических величин) датчики подразделяются на: резистивные; электромагнитные; магнитные; оптоэлектрические (оптоэлектронные) и др. Погрешность измерения может составлять от 0,00027777° (1'') до 0,35°.

Питание датчики может осуществляться:

• через шинные интерфейсы
• через промышленную сеть

В настоящее время в качестве датчиков угла поворота все большее распространение получают энкодеры.

Энкодеры классифицируются по двум группам:

• инкрементальные
• абсолютные

Инкрементальные энкодеры оснащены импульсным выходом и за один оборот генерируют определенное количество электрических импульсов. При повороте на некоторый угол на выходе устройства генерируется соответствующий импульс напряжения.
Абсолютные энкодеры характеризуются генерацией уникального цифрового кода для каждого/любого положения вала. Энкодеры данного типа позволяют знать текущий угол поворота оси в любой момент времени текущей операции, даже после обесточивания системы и последующего восстановления питания. Многооборотные абсолютные энкодеры мониторят и накапливают информацию о количестве полных оборотов оси.

Достоинства абсолютных энкодеров:

• высокая точность за счет прямой передачи определяемой величины на модуль управления
• возможно упрощение монтажа из-за отсутствия дополнительных элементов передачи сигнала
• не требуется каждый раз устанавливать показание датчика в нулевое положение, так как датчик содержит уникальный код на оборот
• показание энкодера сохраняется при исчезновении напряжения

Рис. 1: а - общий вид сервопривода СНА со встроенным энкодером,
б - абсолютный угловой энкодер Resolute Resa.

Способы установки энкодеров различны. Энкодеры могут быть встроенные в привод (рис. 1, а) или могут поставляться отдельно, например, их можно устанавливать соосно с выходным валом.