ЭиУСУ / ЛИТЕРАТУРА_ЭиУСУ / Маханько_Элементы и устройства систем управления

емник 4. Количество света поступающего на фотоприемник будет изменяться при смещении подвижной растровой решетки относительно неподвижной

(рис.77). При совпадении прозрачных участков подвижной и неподвижной ре-

шеток световой поток на фотоприемнике достигает максимального значения.

При смещении подвижной решетки относительно неподвижной световой поток на фотоприемнике будет уменьшаться, т.к. часть светового потока прошедшего через прозрачные участки неподвижной решетки будет задержана непрозрачны-

ми участками подвижной решетки. При смещении подвижной решетки относи-

тельно неподвижной на половину шага полос световой поток на фотоприемнике будет теоретически равен нулю. На практике из-за явления дифракции световой волны на границе полос, неточности изготовления полос и их расположения све-

товой поток на фотоприемнике не будет равен нулю, но примет минимальное значение. При дальнейшем перемещении подвижной решетки количество света на фотоприемнике начет возрастать и опять достигнет максимального значения,

когда решетка сместится точно на шаг полос. В результате при движении по-

движной решетки световой поток на фотоприемнике периодически изменяется.

Соответственно выходной сигнал фотоприемника также будет периодически из-

меняться. Этот сигнал усиливается предусилителем и поступает в схему обра-

ботки.

Источник света

Х

Фотоприемник

Рис.77

Формирование светового потока на фотоприемник.

121

Коэффициент электрической редукции датчика определяется числом полос растра на растровом диске. Современные технологии позволяют изготавливать растровые решетки с числом полос до ста и более на миллиметр. Если взять диск диаметром 50 миллиметров и изготовить на нем решетку с 20 штрихами на мил-

лиметр, то количество полос (коэффициент электрической редукции) составит

N = π × 50 × 20 = 3140

Такая большая величина электрической редукции у растровых датчиков позволяет при решении многих задач ограничиться измерением угла простым методом «подсчета полос». При N=3000 один шаг соответствует углу поворота

360 = 0.120 ≈ 7′ , чего бывает достаточно при решении многих задач управления.

3000

Для реализации алгоритма «подсчета полос» схема обработки сигнала должна содержать формирователь логических сигналов и счетчик (рис.78).

Преобразование сигнала с предусилителя в логический сигнал выполняет компаратор (К). Поскольку с фотоприемника поступает однополярный сигнал,

122

для работы компаратора требуется опорное напряжение равное среднему значе-

нию сигнала с фотоприемника. В этом случае на выходе компаратора будут сформированы симметричные импульсы.

Недостатком такой схемы является высокая чувствительность к измене-

нию амплитуды первичного сигнала с фотоприемника. Амплитуда этого сигнала зависит от чувствительности фотоприемника, которая существенно изменяется от температуры, величины светового потока от осветителя, которая зависит от напряжения питания, от изменения прозрачности дисков, вызванной запылением их поверхности и т.д. Изменение амплитуды сигнала с фотоприемника по отно-

шению к опорному напряжению приведет к изменению соотношения длительно-

сти импульсов и пауз выходного сигнала компаратора и может привести к про-

паданию импульсов, т.е. отказу в работе датчика.

Для исправления этого недостатка необходимо оперативно изменять вели-

чину опорного напряжения, подаваемого на компаратор. Наиболее эффективным способом решения этой задачи явилось использование двух идентичных каналов считывания сигналов, содержащих вторую неподвижную растровую решетку и второй фотоприемник. Источник света лучше использовать один на оба канала.

Штрихи неподвижной решетки второго канала должны быть смещены на поло-

вину шага по отношению к штрихам решетки первого канала. В этом случае фо-

топриемники будут формировать почти идентичные сигналы, в которых посто-

янные составляющие практически совпадают по величине, а переменные состав-

ляющие сдвинуты на половину периода (рис.79а). Если произвести вычитание сигналов двух каналов получится переменный сигнал удвоенной амплитуды не содержащий постоянной составляющей, что существенно улучшает работу ком-

паратора и снижает влияние различных факторов (изменения температуры и напряжения питания) на качество сигнала (рис.79б).

Каждый сформированный компаратором импульс соответствует переме-

щению подвижного диска на один шаг растровой решетки. Подсчет перемеще-

123

Источник света

Х

(n+1/2)d

а

UФП1

Х

UФП2

Х

UФП1-UФП2

Х

б

Рис.79

Использование двух каналов для устранения постоянной составляющей сигналов с фотоприемников.

ния (счет импульсов) производится счетчиком (СЧ), на выходе которого форми-

руется двоичный код соответствующий произошедшему перемещению.

124

Рассмотренный датчик перемещения обладает рядом недостатков, которые требуется устранить, чтобы получить эффективное средство измерения переме-

щений.

Первый недостаток иллюстрируется на рис.80. Предположим, что вал, угол поворота которого следует измерить, совершает затухающее колебательное дви-

жение. Подвижный диск перемещается, световой поток на фотоприемниках пе-

риодически изменяется, электронная схема формирует импульсы, счетчик их подсчитывает. Результат подсчета показан на рис.80 сплошной линией. Видно,

что результат подсчета принципиально расходится с измеряемым перемещени-

ем.

Шаг растровой решетки

t

Рис.80

Формирование выходного сигнала датчика накапливающего типа.

125

Причина этого расхождения в том, что направление движения вала в про-

цессе измерения изменяется на противоположное, но электронная схема этого

«не замечает», и продолжает суммировать поступающие импульсы, тогда как некоторые из импульсов следует не прибавлять, а вычитать. Необходимо опре-

делять не только величину, но и направление перемещения.

Для определения направления движения подвижной растровой решетки необходимо организовать еще один канал (осветитель, неподвижная растровая решетка, фотоприемники) действующий аналогично первому, но его импульсы должны быть смещены относительно импульсов первого канала на четверть пе-

риода полос. Это достигается смещением полос неподвижной решетки второго канала на целое число плюс одна четвертая часть шага полос относительно штрихов неподвижной решетки первого канала. Электронная схема будет со-

держать два канала формирования импульсов, реверсивный счетчик импульсов и схему управления счетчиком.

Организация реверсивного подсчета импульсов реверсивным счетчиком зависит от структуры счетчика. У некоторых счетчиков есть два счетных входа.

Импульсы, поданные на один из входов, увеличивают содержимое счетчика, им-

пульсы, поданные на другой вход, уменьшают. Другие счетчики имеют только один счетный вход и дополнительный управляющий вход, сигнал на котором за-

дает увеличение или уменьшение содержимого счетчика по сигналу счетного входа. На рис.81а представлены сигналы двух каналов формирования импульсов при перемещении подвижной растровой решетки.

Предположим, что счетчик реагирует на передний фронт счетных импуль-

сов, в качестве которых приняты импульсы первого канала. Отметим, что при движении подвижной растровой решетки слева направо передние фронты им-

пульсов первого канала приходятся на единичное состояние сигнала второго ка-

нала, а при движении подвижной растровой решетки справа налево передние фронты импульсов первого канала приходятся на нулевое состояние сигнала второго канала. Если использовать реверсивный счетчик с одним счетным (СЧ) и

126

дополнительными управляющими входами (V и R), схема управления реверсив-

ным подсчетом импульсов примет вид, показанный на рис.81б. счетчик изменяет свое состояние на единицу по переднему фронту импульса UC. Направление сче-

та – увеличение или уменьшение содержимого счетчика (кода на выходе) опре-

деляется состоянием управляющего входа V, на который подается сигнал US.

При движении в положительном направлении в момент появления перед-

него фронта импульса UC на входе V будет состояние «1» и содержимое счетчи-

ка увеличивается на единицу. При движении в отрицательном направлении в момент появления переднего фронта импульса UC на входе V будет состояние

«0» и содержимое счетчика уменьшается на единицу.

UC

R

б

Рис.81

Учет направления перемещения в датчике накапливающего типа.

127

Второй недостаток рассматриваемого датчика состоит в том, что он не имеет начала отсчета. Фактически он измеряет приращение угла поворота вала.

В системах управления чаще необходимо измерять на приращение, а абсолютное значение угла. Для исправления этого недостатка в датчике перемещения накап-

ливающего типа приходится создавать еще один оптико-электронный канал, ко-

торый выдает импульс при прохождении валом определенного положения отно-

сительно корпуса прибора (реперной точки). Этот канал имеет источник света и по одной узкой прозрачной щели на подвижном и неподвижном диске. При сов-

падении этих прозрачных щелей на фотоприемник поступает свет, и схема обра-

ботки выдает сигнал на вход R счетчика. По этому сигналу показания счетчика импульсов обнуляются (операция Reset).

Процессы в новой электронной схеме иллюстрируются рис.80 пунктирны-

ми линиями.

Основными показателями качества датчика является количество «дис-

крет», т.е. элементарных приращений угла поворота вала регистрируемого дат-

чиком и точность – соответствие результата измерения действительному углу поворота. Точность определяется, прежде всего, конструктивными и технологи-

ческими показателями – точностью нанесения штрихов растровой решетки и обеспечения точности позиционирования диска на валу (эксцентриситет растро-

вой решетки и люфт подшипников вала). Количество дискрет может быть увели-

чено за счет увеличения количества штрихов (изменение конструкции растрово-

го диска увеличением диаметра диска или уменьшением шага растровой решет-

ки) или за счет более полной обработки получаемой от фотоприемников инфор-

мации без увеличения количества штрихов.

На рис.80 видно, что электронная схема регистрирует приращение на один дискрет при повороте вала на целый шаг растровой решетки. Это обеспечивает количество дискрет равное числу полос решетки. Если точность изготовления штрихов растровой решетки позволяет, можно без увеличения количества штри-

хов увеличить число дискрет. Простейший вариант, позволяющий вдвое увели-

128

чить количество дискрет – построить схему управления реверсивным счетчиком реагирующую не только на передние, но и на задние фронты счетных импуль-

сов.

Для того чтобы вчетверо увеличить количество дискрет, необходима схема управления реверсивным счетчиком реагирующая на передние и задние фронты обоих сигналов, сформированных компараторами (рис.82). Такая схема форми-

рует четыре счетных импульса на один шаг растровой решетки, что и дает уве-

личение в четыре раза разрешающей способности датчика.

Еще больший эффект увеличения количества дискрет можно получить с помощью «электронного дробления фазы» - приема, позволяющего измерять до-

лю шага решетки. Из рис.79б видно, что сигналы на входе в компараторы по форме близки к напряжениям на синусоидальной и косинусоидальной обмотках СКВТ в амплитудном режиме. Поэтому можно использовать те же методы обра-

ботки сигналов, которые были рассмотрены при рассмотрении СКВТ.

При достаточно хорошей форме сигналов, когда их форма мало отличается от синусоидальной, в настоящее время с помощью микропроцессорной техники удается реализовать «электронное дробление фазы» на 100 – 200 частей, увели-

чив количество дискрет в 100 – 200 раз по сравнению с числом полос растровой решетки.

129

8.2Интерференционный датчик перемещения

Споявлением компактных и эффективных источников когерентного излу-

чения – твердотельных оптических квантовых генераторов (ОКГ) открылась возможность создания очень точных и стабильных датчиков перемещения осно-

ванных на волновой природе световых волн. Одним из вариантов схемы такого датчика является интерферометрический датчик на основе интерферометра Майкельсона, показанный на рис. 83.

Неподв.зеркало

ОКГ

х

Полупрозрачное

зеркало

Подв.зеркало

ФП

Рис. 83.

Схема интерференционного датчика перемещения.

Луч ОКГ (твердотельного или газового лазера) с помощью светоделителя

(например, полупрозрачного зеркала) направляется на два зеркала, одно из кото-

рых неподвижно, а другое перемещается на измеряемое расстояние х. Отражен-

ные от этих зеркал лучи с помощью полупрозрачного зеркала направляются на фотоприемник ФП. Эти световые волны когерентны и интерферируют друг с другом, образуя суммарную волну. Амплитуда суммарной волны зависит от ам-

плитуд слагаемых волн и сдвига фаз между ними. Если световые волны прихо-

дят на фотоприемник в одной фазе их амплитуды складываются, если в проти-

вофазе – вычитаются. Разность оптического хода лучей зависит от положения подвижного зеркала. Поэтому при перемещении подвижного зеркала суммарная

130