Глава 3 (Учебник в электронном виде), страница 7

Исполнительная следящая си­стема включает силовой усилитель, двигатель со встроенным редуктором и датчик обратной связи на базе фазочувствительного выпря­ми­те­ля. Вал двигателя жестко связан с валом фазовращателя.

Один из входов фазочувствительного выпря­ми­те­ля питается непосре­дственно от задающего ге­нератора, на другой поступает сигнал, пропорциональный фазе U_вых. Следовательно, величина оши­бки DU будет зависеть от разности фаз двух сигналов (wt + q) и wt и окажется пропорциональной q.

И обладают наивысшей точностью по сравнению со всеми ранее рассмотренными ЭДП. Это обусловлено как технологическими особенностями таких ДПП, так и конструктивными решениями (использованием многослойных обмоток, значительным количеством полюсов, что, кроме прочего, «усредняет» отдельные погрешности, связанные с каждым полюсом и др.). В И достигнуты следующие метрологические показатели:

• для поворотных: разрешающая способность (аддитивная погрешность) D_a = ± 0,05”, воспроизводимость (повторяемость) = ± 0,1”, e ~ 0,00005% (D = ± 0,5” на диапазоне измерения 360⁰);

• для линейных: D_a = ± 0,1 мкм, воспроизводимость = ± 0,25 мкм, e ~ 0,0001% (D = ± 1 мкм на диапазоне измерения 1 м).

В таблице 3.10 приведены характеристики некоторых известных моделей И. D - абсолютная погрешность.

Таблица 3.10. Примеры промышленных И

Примечание.

1. Датчики модели HD разработаны фирмой Hei­denhain, Германия, количество полюсов - 2000.

2. Модель IC изготовлена фирмой Inductosyn Corp., США. Этот И имеет 512 полюсов.

Достоинствами И являются наивысшая из всех ЭДП точность измерений, высокая технологичность и малый вес. Недостатки те же, что и для всех ЭДП.

3.1.3. Фотоэлектрические датчики положения

Наиболее эффективный метод измерения взаимного положения подвижных кинематических пар, входящих в состав цифровых следящих систем основан на использовании фотоэлектрических (оптических) ДПП. Современные оптические ДПП (ОДП) обеспечивают более высокую разрешающую способность, надеж­­ность и точность, чем ПДП и ЭДП тех же размеров.

Лучшие из существующих ОДП измеряют абсолютное угловое положение с разрешением 10^-6 относительно полного оборота входного вала. Это позволяет получить 20 - 21 разрядный выходной цифровой сигнал, что соответствует разрешению по углу менее 1". В отличие от аналоговых датчиков, требующих стабилизации питающих напряжений и ЭДП, чувствительных к электромагнитным помехам цифровые ОДП значительно проще в эксплуатации. Так, например, для обеспечения допустимой погрешности ПДП ~ 10^-5 (0,01%) требуется, обеспечить стабильность опорного напряжения номиналом 10 В в пределах ± 0,05 мВ. При оцифровке аналогового сигнала с такого датчика без потери точности требуется прецизионный АЦП с погрешностью не более 0,002%.

ОДП обладают и другими достоинствами. Так, в отличие от ПДП и ЭДП для них характерна независимость метрологических параметров от нагрузки, а также высокая помехозащищенность.

Основой ОДП является оптическая система, включающая источник света, кодирующий элемент (диск или линейка) и блок фотоприемников. В качестве источников света используются твердотельные оптронные пары и осветители в виде ламп накала с вольфрамовой нитью. Для обеспечения равномерной освещенности области кодирующего элемента применяются коллимационные линзы (коллиматор). Самым ответственным узлом ОДП, в наибольшей степени определяющим его характеристики, является кодирующий диск. Большинство дисков изготавливается фотоспособом, с использованием метода контактной печати с диска-эталона, на котором с высокой точностью выполнена маска. Тип маски определяет способ кодирования.

Диски-эталоны изготавливаются круговой делительной машиной, наносящей на него радиальные линии с погрешностью до 0,067" [ ]. Точность ОДП с кодирующими дисками, использующими эти эталоны, достигает ~ 10^-6 %. Машина может прог­раммироваться на создание эталонов как с наиболее распространенными унитарными кодами и двоичными кодами Грея, так и с циклическими кодами, а также синусно-коси­нусными, логарифмическими и двоично-десятич­ными кодами. (Наиболее известны де­лительные машины фирм Baldwin Elec­tronics Inc., США и Vactric Con­trol Equipment, Ан­г­­лия). Технология изготовления дисков обеспечивает не только высокую точность выполнения заданной геометрии кодовых масок, но и резкие границы переходов от непрозрачных участков к прозрачным. Для обеспечения четких переходов на границах и ограничения шума в допустимых пределах при выполнении кодовых масок используются фотоэмульсии с ничтожной зернистостью структуры.

При построении оптических систем применяют две основные схемы (рис. 3.34).

1. В соответствии с первой (рис. 3.34а), оптическая система содержит лампу и линзу, через которую освещается одна сторона диска. Приемники подсве­чиваются через узкую щель диафрагмы, установ­ленную строго по линии считывания.

2. Оптическая система второго типа (рис. 3.34б), формирует один линейный пучок, проецируемый по линии считывания диска (диафрагма располагается перед диском).

Как показывает опыт при использовании стандартных светодиодов, обе системы позволяют применять кодирующие диски, на дорожках которых по окружности размещается до 2500 оптических сегментов. Если же использовать лампы со специальной тонкой нитью накаливания, то на диске с диаметром 100 мм можно различать свыше 5000 таких сегментов. Дальнейшее увеличение разрешения достигается электрическими способами. Каждая дорожка диска имеет свой оптический канал: источник, например, электролюминесцентный диод и приемник - фототранзистор. Выходной сигнал с приемника напряжением до 100 мВ при нагрузке 10 кОм служит для формирования логического сигнала заданного уровня. С этой целью обычно применяются триггеры Шмитта на базе операционных усилителей, создающие на выходной шине напряжения логического 0 или 1. Диапазон допустимых изменений выходного напряжения с приемников, при котором сохраняется требуемый уровень срабатывания, составляет ~ 5 ... 80 мВ.

ОДП классифицируются по двум основным при­знакам.

1. По форме выходного сигнала: накапливающие (преобразователи пе­ре­меще­ний) и абсолютные (преобразователи счи­тывания).

1. По способу кодирования: растровые, импульсные и кодовые.

Накапливающие (циклические) преобразователи используют датчик и счетную систему, суммирующую отдельные приращения, а также репер (метку), относительно которого эти приращения суммируются.

Датчики абсолютных значений не содержат ре­пера и выполняются либо одношкальными, либо в виде систем ГО и ТО.

3.1.3.1. Растровые оптические датчики положения

Растровые фотоэлектрические датчики (РОДП) предназначены для преобразования линейных и угловых перемещений в цифровой код на основе использования растрового сопряжения. Принцип действия РОДП подобен РЭДП. Оптический растр представляет собой совокупность однотипных непрозрачных элементов, об­разующих периодическую структуру и воздействующих на поток лучистой энергии как единое целое. Растр формируется при сопряжении кодирующих элементов датчика. Расположенные на них растровые решетки модулируют световой поток на пути от источника света к приемнику. Конструктивно растровая решетка - это прозрачная пластина, на которую нанесено большое количество непрозрачных штрихов различной формы, обычно равноудаленных и параллельных.

Растры ОДП классифицируются по двум основным признакам:

1. по характеру воздействия на лучистый поток;

1. по геометрической структуре образующих элементов.

В соответствии с первым признаком различают пропускающие и отражающие растры. Пропускающие растры пре­дставляют собой решетку из прозрачных и непрозрачных элементов, отражающие - решетку из элементов, зеркально отражающих свет.

В соответствии со вторым признаком различают растры, формируемые параллельными, сеточными, радиальными, кольцевыми и спиральными оптическими структурами. Для измерения линейных перемещений обычно используются сопряжение двух плоских параллельных растров, а для измерения угловых - сопряжение радиальных растров.

Растровое сопряжение получается наложением растровых решеток с малым постоянным зазором между ними (рис. 3.35а). При этом, штрихи одной решетки накладываются на штрихи другой, уменьшая площадь прозрачных участков сопряжения. При совпадении темных штрихов площадь прозрачных штрихов растра остается без изменения. Возникающие темные и светлые полоски весьма малы, однако они группируются и образуют различные, но достаточно широкие полосы, называемые комбинационными или муаровыми (рис. 3.35б). Положе­ние, форма и шаг ко­м­бинационных полос зависят от параметров сопрягаемых растров и их взаимного расположения. Собственно «му­­­­ар-эффект» является результатом интерферен­ции световых лучей от разных участков решетки. Он проявляется в виде волнис­тых или полосатых узоров, и особенно заметен при воспроизведении изображений регулярной стру­ктуры: типа «солнца с лучами» или «диктора в полосатой рубашке». (В устройствах оцифровки изображений, например, сканерах «муар-эф­фект» вреден. Он возникает, когда в изображении содержатся элементы, размер которых лежит на границе зоны разрешения).

Основу РОДП составляет растровое преобразующее звено. Оно включает блок осветителя, создающий параллельный пучок света, растровое сопряжение из по­движного (измеритель­ного) и не­по­движного (инди­катор­ного) растров и блок фотоприемников. Моду­ли­рующие свойства растрового сопряжения определяются структурой растра и характеризуются пропускающей способностью t = Ф/Ф₀, где Ф₀, Ф - значения светового потока, соответственно падающего на растровое сопряжение и прошедшее через него в пределах зрачка фотоприемника. В современных конструкциях величина t достигает 0,9 …0,95. В простейших параллельных растрах кроме t выделяют еще два параметра: W - шаг шкалы и g - относительное угловое смещение шкал. Амплитуда Ф зависит от величины относительного перемещения растров практически синусоидально, во всяком случае выбором параметров сопряжения можно получить синусный характер изменения лучистого потока Ф. В ряде схем, наоборот, стремятся получить линейный закон изменения Ф от q в пределах некоторой зоны перемещений. Для таких РОДП функцию преобразования можно представить в виде

где j - пространственная фаза комбинационной полосы.

Одним из наиболее известных принципов построения РОДП является применение однодо­ро­жеч­ных пропускающих или отражающих решеток. На рис. 3.36 представлен пример промышленного РОДП с отражающей растровой решеткой. Он относится к датчикам накапливаю­щего типа и для определения абсолютного значения перемещения требует использования счетных импульсов.

На рис. 3.36 пунктиром показана сканирующая головка с четырьмя фотоприемниками. Диафрагма сканирующей головки содержит четыре щели, размещенные так, что выходные сигналы фотоприемников сдвинуты на четверть периода измерительной решетки(рис. 3.37а). Следствием этого смещения является сдвиг по фазе и квази­сину­соидальных сигналов фотоприемников. Так, компонента E₂₁ сдвинута на 90^о относи­тельно E₁₁, а компоненты E₁₂ и E₂₂ имеют сдвиг на 180^о по отношению к сигналам E₁₁ и E₂₁ (рис. 3.37б). Фотоприемники соединены друг с другом попарно и дифференциально, так что в результате образуются двухтактные схемы E₁₁/E₁₂ и E₂₁/E₂₂. Далее сигналы с этих схем поступают на соответствующий элект­ронный каскад, вклю­чающий в себя форми­­рователи пря­моуго­льных импульсов (три­­­г­­геры Шм­итта), усилители и инверторы, преобразую­щие их в про­ти­во­фаз­ные сигналы пря­моугольной формы. В результате выходные сигналы схем E₁₁/E₁₂ имеют 90⁰ фазовый сдвиг по отношению к выходным сигналам схем E₂₁/E₂₂ (рис. 3.38).