3.1.3.3. Прецизионные оптические датчики положения

При построении прецизионных ОДП (ПОДП) используются все способы фотоэлектрического преобразования. Высокая точность в таких системах достигается не только благодаря внедрению самых современных технологических достижений, но и применением оригинальных схемотехнических приемов. Наиболее известными решениями являются двушкальные схемы со шкалами ГО и ТО, а также одношкальные конструкции с совмещенной кодово-растровой сегментацией. В обоих случаях выделяются два канала преобразования (их тоже называют ТО и ГО), причем в одношкальных схемах оба канала построены на базе одной оптической шкалы. Таким образом, в двухшкальных схемах канал ТО реализуется с помощью отдельной шкалы ТО, а в одношкальных на базе специальных дорожек или с помощью растровой интерполяции. В соответствии с этим системы ТО ПОДП разделяют на дорожечные и интерполяционные.

Угловые ПОДП шкального типа содержат отдель­ный диск ТО, связанный с входным валом датчика либо непосредственно, либо через редук­тор, либо редуктор и диск ГО. В пер­вом случае, датчик является од­но­обо­ротным, во втором - многооборотным с числом оборотов, определяемым редукцией или разрядностью диска ГО. В дорожечных системах ТО младшие несколько дорожек выполняют штриховыми и при преобразовании используют импульсные или растровые схемы. ПОДП с интерполяционными системами ТО не используют кодовых шкал; их диски выполняют со штриховым рисунком, а схемы считывания содержат фазовращательные устройства, формирующие несколько прямоугольных им­пульсов на один оптический импульс (штрих шкалы).

Наиболее эффективным методом построения ПОДП, пожалуй, является растровая интерполяция. В общем случае, ее суть заключается в том, чтобы с помощью сигналов, считываемых с одной растровой дорожки получить k-разрядный кодовый сигнал. Схемы этого типа используют синусно-косинусные преобразователи и позволяют получить 22 … 37 разрядный выходной сигнал.

На рис. 3.44 представлена схема 19-ти разрядного углового ПОДП. Показания ГО снимаются с 14 старших разрядных доро­жек ко­довой шка­­лы. Канал ТО построен на базе штри­­ховой раст­ро­вой разря­дной дорожки, шаг которой W равен:

W = 2p /2¹⁵ рад

Таким образом, кон­ст­ру­кти­вно шкала представляет собой 14 доро­жек ГО и 1 дорожку ТО. В канале ТО испо­ль­зуется растровая ин­­­терполяция, поз­во­ля­ю­щая увеличить разря­д­ность канала ТО до 5. С этой целью в канал ТО включены 4 пары фотоприемников, расположенных через 90⁰ вдоль внешней разрядной дорожки и растровое сопряжение подвижного (измерительного) и неподвижного (индикаторного) растров. Симметричное расположение фотоприемников позволяет устранить влияние эксцентриситета и эллиптичности шкалы. Растры, как обычно, сдвинуты друг относительно друга на 1/4 шага и, следовательно, с каждой пары фотоприемников снимаются электрические сигналы, пропорциональные синусу и косинусу угла поворота. Эти сигналы поступают на схемы усреднения и интерполятор, представляющий собой потенциометрический фазовращатель в виде резистивного моста. Схема интерполирования преобразует синусоидальный и косинусоидальный входные сигналы в группу сигналов, сдвинутых по фазе относительно исходных. В результате, на выходе интерполятора образуется 32 синусных сигнала, смещенных друг относительно друга на 360:32 = 11,25^о. В данном случае 360^о соответствуют одному шагу измерительного растра ТО. Каждая из 16 пар противофазных сигналов подается на соответствующий триггер Шмитта, и, следовательно, при вращении измерительного растра ТО сигналы с выходов триггеров будут иметь вид прямоугольных меандров. Эти меандры также сдвинуты друг относительно друга на 11,25⁰ по фазе. Шифратор на логических элементах кодирует состояние триггеров Шмитта в 5-ти разрядный двоичный код ТО, про­порциональный перемещению измерительного растра ТО в пределах шага W. (5 двоичных разрядов соответствует 32 комбинациям сигналов). Растровый интерполятор ТО формирует также синхроимпульс считывания выходных сигналов с разрядных дорожек ГО, обеспечивая, тем самым, необходимое согласование каналов ТО и ГО.

Датчик представленный на рис. 3.44 содержит один двухканальный диск, и его разрешающая способность соответствует 2,5". Известны модификации таких датчиков с диском диаметром 10 дюймов (254 мм), и разрешающей способностью до 0,6".

Рассмотренный одношкальный ПОДП выполняет полное преобразование за один оборот. При необходимости многооборотного преобразования наиболее часто применяются двушкальные схемы. Одной из первых, конструкцию такого ПОДП разработала фирма Litton, Англия. Конструктивно такая же схема и у отечественного датчика ДПК-1, установленного в модификациях отечественных ПР семейства «Универсал» со стойкой управления РПМ-25. Датчик ДПК-1 (рис. 3.45) содержит кодовые диски ТО и ГО на которых нанесены маски в циклическом коде Грея. Диски представляют собой точные оптические шкалы, изображение которых проецируется в проходящем свете через диафрагму на фотодиодную матрицу. На диске ТО размещены 8 кодовых дорожек, на диске ГО - 7. Каждая разрядная дорожка считывается отдельно и непрерывно во времени. Оси обоих дисков связаны друг с другом и с входным валом датчика через редуктор, причем передаточное число между ними равно 128. При такой редукции за полный цикл преобразования диск ГО делает 1 оборот, а диск ТО - 128.

В общем случае, для кодовых многооборотных датчиков число оборотов диска ТО N_ТО за полный диапазон преобразования определяется выражением: N_ТО = 2^nГО, где n_ГО - число разрядных дорожек диска ГО. Если разрядные дорожки диска ГО располагаются равномерно по окружности диска, то угол его поворота за полный диапазон преобразования составляет 2p рад. Обычно, для повышения точности датчика число разрядных дорожек на диске ТО выбирается максимальным и он уста­нав­ливается на входной вал датчика. Тогда, абсолютная точность преобразования по входу соответствует точности изготовления маски диска ТО, а диапазон преобразования угла D₁ равен:

D₁ = 2^nТО оборотов.

Полный диапазон преобразования ДПК-1 по входу D₁ составляет 16 оборотов входного вала, по выходу - 15 двоичных разрядов. (Число разрядов выходного кода равно суммарному числу разрядных дорожек обоих дисков: n₀ = n_ТО + n_ГО = 8 + 7 = 15).

В двушкальных схемах очень важно правильное согласование шкал. Коммутация кодовых участков любой разрядной дорожки диска ГО должна совершаться в пределах угла поворота диска ТО, при котором его младшая разрядная дорожка перемещается на величину, не превышающую половины кодового участка: Da_ТО = p/2^nто, где n_ТО - число разрядных дорожек в коде Грея, нанесенных на диск ТО. Приведенный к валу диска ГО этот угол равен: Da_ГО = 2p / 2^nто i. Здесь i - коэффициент редукции между дисками. (Для датчика ДПК-1 Da_ТО = 2,8^о, Da_ГО = 0,02^о).

Для согласования шкал используется диафрагма и маска с системой одновитковых спиралей. (Число спиралей равно числу кодовых дорожек на диске ГО, шаг спирали равен величине перемещения соответствующей разрядной дорожки диска ГО за один оборот диска ТО). Угловая ширина щелей диафрагмы не должна превышать ширины щелей дорожки младшего разряда кодовой маски. Если угловую ширину щелей выбрать одинаковой независимо от номера разряда, то ее линейная ширина h будет зависеть от радиуса, на котором расположена считываемая дорожка: h = RDa_д , где Da_д < Da_ТО/2 - для диска ТО, Da_д < Da_ГО/2 - для диска ГО. Для ДПК-1 на радиусе диска, равном 30 мм h = 1,5 мм для канала ТО и 0,02 мм для канала ГО.

Современные ПОДП, использующие различные принципы оптического преобразования применяются в информационных системах особо высокой точности (в прецизионных станках, системах управления антенн и телескопов и т.д.). Некоторые из датчиков этого типа представлены в табл. 3.16. Символом t обозначен срок непрерывной работы, V - скорость преобразования.

Таблица 3.16. Примеры промышленных ПОДП

Модель	n, разряд	K , шкал	t, час	Da, “	V, отсчетов/с	Æ, мм	l, мм	m, кг
ФПУ-16	16	1	10000	20	20000	70	140	0,9
Special/RI	27	1		0,02		310	85	2,1

Примечания.

1. Опытная модель Special/RI заявлена фирмой IMEKA, Германия.

2. Скорость преобразования ПОДП V ограничивается частотными возможностями фотодиодных матриц. Обычно она не превышает 5 ... 10 кГц.

Итак, в этой главе мы рассмотрели различные типы датчиков положения и перемещения, используемых робототехнических и мехатронных системах. В заключение приведем сравнительные характеристики различных типов ДПП: в табл. 3.17 представлены их общие характеристики, в табл. 3.18 - сравнительные точностные характеристики, а в табл. 3.19 - технические параметры известных отечественных ИОДП.

Таблица 3.17. Общие характеристики принципов преобразования

Принцип преобразования	Пример датчика	Способ формирования выходного сигнала	Разрешающая способность, разряд	Время преобра­зования, с
Электромеханический	РДП	аналоговый/кодовый	5 ... 7	0,001 ... 0,01
Индукционный	ЭДП	фазовый	14 ... 18	0,001
Фотоэлектрический	ОДП	фазовый кодовый	16 ... 18 14 ... 17	0,01 ... 0,1 0,001

Анализ табл. 3.17 показывает, что использование информации о фазе сигнала позволяет получить лучшие показатели быстродействия и точности в преобразователях всех типов.

Таблица 3.18. Сравнительные точности ДПП

Тип преобразователя	Погрешность датчика, ‘
	0 ... 1	1 ... 10
РДП
Р
РД
И
КОДП
РОДП (ПОДП)

Как следует из табл. 3.18 наивысшей точностью из всех ДПП обладают РОДП и использующие те же принципы ПОДП.

Таблица 3.19. Паспортные данные некоторых ИОДП

Параметр	Модель датчика
	ВЕ-178	ПУФ-МИНИ
Форма выходных сигналов	прямоугольная	прямоугольная
Количество выходных сигналов и их тип: основной инверсный основному смещенный инверсный смещенному начало отсчета инверсный начала отсчета	6	3
	+ + + + + +	+ + - - + -
Количество импульсов на один оборот вала	250, 600, 1000, 1024, 1500, 2000, 2500, 5000	100, 128, 250, 256, 500, 512, 1000, 1024
Максимальная частота вращения входного вала, об/мин	6000	6000
Напряжение питания, В	± 15	5
Мощность, Вт, не более	2,3	1
Сопротивление нагрузки, кОм	1	0,15
Масса, кг, не более	0,67	0,2
Габариты, мм	Æ 50´106	Æ 30´62
Средняя наработка на отказ, час, не менее	8000	16000