Лекция 7.
3.3. Гибридные технологии электромеханики и мехатроники
Рассмотрим технологический процесс изготовления мехатронной машины, состоящей из двух групп:
исполнительные механизмы (двигатели, преобразователи движения, тормоза и т.д.);
интеллектуальные элементы (силовые блоки, информационные (сенсорные) и управляющие вычислительные элементы).
В этом случае имеем два технологических процесса: этап изготовления элементов и сборка мехатронного модуля.
Гибридная сборка осуществляет идею объединения разноприродных элементов в единое целое, где объединены в едином корпусе составные части, изготавливаемые по разным технологиям и на разных технологических линиях. ММ, полученные способом гибридной сборки, могут иметь такие недостатки:
комбинация в одном корпусе всех элементов может привести к увеличению массы и габаритов модуля движения по сравнению с традиционными приводами с последовательной кинематической цепью;
в процессе эксплуатации исполнительные элементы могут оказывать температурное, вибрационное, электромагнитное воздействия на интеллектуальные блоки.
Чем выше мощность модуля, тем это воздействие сильнее.
Наиболее перспективным в гибридных технологиях сборки ММ является интеграция уже при изготовлении элементов ММ. Перспективным при создании ММ гибридной сборки является использование «активных материалов, способных трансформировать энергию определенных полей (например, электрического, магнитного, теплового) в нужные механические эффекты, либо менять свои свойства под воздействием внешних полей. Это кварц, керамика, магнитострикционные сплавы, «интеллектуальные» сплавы с памятью формы.
Гибридные технологии бурно развиваются в последнее десятилетие для создания микроэлектромеханических систем. Это и автомобильная промышленность для создания систем безопасности, это и мобильные работы, это и беспилотные летательные аппараты.
С помощью ММ, созданных на базе МЭМС7 измеряются: перемещения, скорости и ускорения (линейные и угловые), действующие силы и моменты. Например, акселерометры – датчики ускорений.
На базе МЭМС-технологий создаются интеллектуальные сенсоры, в которых реализованы измерения текущих параметров механического движения, их преобразование и обработка по заданным алгоритмам в едином блоке. Интеллектуализация этих ММ заключается в их более высокой точности измерений параметров фильтрации шумов, калибровке, линеаризации характеристик вход/выход, компенсации гистерезиса, перекрестных связей и дрейфа нуля.
3.4. Цифровые технологии управления движением
Встроенные в МУ миниатюрные интеллектуальные элементы должны быть повышенной стойкости к тепловым, вибрационным, электромагнитным и другим воздействиям. Это возможно за счет высокой концентрации и плотной упаковки схем, уменьшения монтажных соединений и использования твердотельных элементов. Перспективные электронные блоки должны быть многофункциональными с широкими коммуникационными возможностями.
Появились силовые электронные приборы – это силовые полевые транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором, коммутируемые теристоры и интеллектуальные силовые модули. Они отличаются высоким быстродействием (с частотой коммуникации до 100 кГц), высоким значением коммутируемых токов и напряжений – до 2400 А и 3300 В, малыми коммутационными потерями с малой управляемой мощностью.
Используются силовые преобразователи в канале управления движением, защите устройств, аварийных режимах и в диагностике неисправностей. В МС полупроводниковые приборы являются базой для создания новых силовых преобразователей, которые являются промежуточным звеном между компьютерным управлением и исполнительными двигателями.
Новая элементная база ЦСУ8 для выполнения вычислительных функций стали цифровые сигнальные процессоры. Требования к вычислительным устройствам:
высокая скорость вычислений (умножение, суммирование);
цифровая обработка сигналов в реальном времени;
время выполнения команд должно быть известно точно и заранее.
В МС ЦСУ выполняют следующие специальные функции;
решение прямых и обратных кинематических задач;
координированное управление всеми степенями подвижности манипулятора с расчетом синхронизированных во времени сигналов управления;
реализация алгоритмов адаптивного и интеллектуального управления;
фильтрация сигналов о положении, скорости и ускорении поступающих от датчиков обратной связи;
объем данными с компьютером верхнего уровня управления.
Микропроцессоры также как компьютера Pentium компании Intel представляют собой ЦПУ9, выполненное на одном кристалле, и требуют дополнительной микросхемы для реализации всех вычислительных функций. Эти микропроцессоры плохо приспособлены в выполнению цифровой обработки сигналов. Цифровые сигнальные процессоры (DSP-процессоры) оптимизированы для реализации операций: умножение матриц и манипуляций с графическими изображениями. Эти операции DSP-процессоры производят обработку цифровых сигналов в реальном масштабе времени, выполнение арифметических операций и накапливают результаты за один машинный цикл.
DSP-процессоры выполняют следующие основные операции:
фильтрацию входного аналогового сигнала;
аналогово-цифровое преобразование;
цифровую обработку сигналов по заданному алгоритму в реальном масштабе времени (производительность до
операций в секунду;цифроаналоговое преобразование.
В состав DSP входят ЦПУ, ОЗУ, ПЗУ, последовательно-параллельные интерфейсы, схема обработки прерываний. Гибкая архитектура DSP позволяет достигнуть очень высокую степень параллельной работы. За один цикл DSP семейства ADSP-21 может выполнять следующие операции:
генерация адреса и выбор команды программы;
выполнение двух перемещений данных;
обновление двух указателей адреса;
выполнение вычислительных операций;
передача или прием данных от двух последовательных портов;
обновление регистра таймера.
В современном DSP более 2 Мбит внутренней памяти размещено на 1 см2, платы, толщина которой 1,35 мм, потребляемая мощность 100 мвт.
Программируемые
вычислительные матрицы FPGA
Они представляют собой интегральные микросхемы с логическими ячейками программируемых переключателей. Каждая логическая схема состоит из:
блока ввода-вывода соединяющего внутреннюю логику кристалла с выводами корпуса микросхемы;
конфигурируемых логических блоков, реализующих логические и регистровые функции;
блочной памяти;
модулей управления синхронизацией;
трассировочных ресурсов, соединяющих все элементы.
Программирование FPGA осуществляет пользователь. Для этого применяется специальное программное обеспечение, включающее в себя модули текстового и схемного ввода, моделирования, автоматической трассировки, создания и загрузки конфигурационных данных, специальные библиотеки макросов. Разработчик может многократно загружать проект в микросхему и тестировать ее на реальном изделии.
Если разработка идет в большую серию, то используется более эффективная технология микросхем «одиночного» решения ASIC, где жестко завязана программа и их нельзя перепрограммировать как FPGA. Достоинством микросхем ASIC является их надежность, дешевизна, невозможность копирования, малая потребляемая мощность.