Интеллектуальные сенсоры мехатронных модулей и систем

Целью создания интеллектуальных сенсоров является объединение функций измерения текущих параметров механического движения, их преобразования и компьютерной обработки по заданным алгоритмам в едином информационно-измерительном модуле. Со структурной точки зрения речь идет об интеграции сенсорного и компьютерного блоков мехатронного модуля. Интеллектуализация сенсоров позволяет добиться более высокой точности измерения, программным путем обеспечив в самом сенсорном модуле фильтрацию шумов, калибровку, линеаризацию характеристик вход/выход, компенсацию перекрестных связей, гистерезиса и дрейфа нуля.

В мехатронных модулях сенсоры предназначены для сбора данных о фактическом состоянии элементов движущейся системы (исполнительного привода, механического устройства и рабочего органа), обработки в реальном времени и передачи сигналов обратной связи в устройство компьютерного управления.

К типичными измеряемым величинам, информация о которых используется при управлении мехатронными модулями и системами, относятся: перемещение (линейное или угловое), скорость, ускорение и моменты, развиваемые исполнительными двигателями; внешние усилия, действующие на рабочий орган (например, на шпиндель модулей); положение и ориентация рабочего органа в пространстве (например, схвата промышленного робота или щупа контрольно-измерительной машины).

В целом проблема проектирования и технологии производства интеллектуальных сенсоров (ИС) является самостоятельной научно-технической областью и выходит за рамки рассматриваемого круга вопросов. Для мехатроники представляют интерес способы интеграции ИС в мехатронные модули движения и методы минимизации промежуточных преобразований измеряемой физической величины в цифровой код, пригодный для ввода в устройство компьютерного управления.

С точки зрения минимизации промежуточных преобразований одним из наиболее эффективных (и потому очень широко применяемых в мехатронике) интеллектуальных датчиков обратной связи являются оптические инкодеры со встроенными микропроцессорами. Среди отличительных преимуществ современных инкодеров следует выделить: 1) как перемещения, так и 2) скорости движения; 3) высокую точность и 4) низкие шумы при измерении; 5) многооборотность; 6) конструктивную компактность и возможность встраивания в мехатронный модуль. Важно подчеркнуть, что инкодеры выдают выходной сигнал в кодовой форме, что удобно для компьютерной обработки в реальном времени.

Различают два основных вида инкодеров - абсолютные и инкрементальные. Абсолютные инкодеры дают информацию о величине перемещения (линейного или углового) движущегося вала относительно фиксированного нулевого положения.

Преимуществами абсолютного инкодера являются надежность измерения (даже при временном отключении питания информация датчиком не будет потеряна), высокая точность при больших скоростях движения, запоминание нулевого положения (это важно при необходимости управления реверсивными и аварийными движениями машин). Инкрементальный датчик дает информацию о направлении и величине перемещения в приращениях относительно исходного положения, что вполне достаточно во многих практических приложениях.

Интеллектуализация инкодеров обеспечивается встроенными микропроцессорами, которые выполняют следующие основные функции: 1) кодирование информации датчика, 2) обнаружение ошибок измерения, 3) масштабирование сигнала и 4) передача текущего кода в контроллер движения по стандартному протоколу. Современная тенденция в создании инкодеров заключается в объединении в едином сенсорном модуле конструктивных элементов (валов, подшипников), кодировочных дисков, фотоэлементов и микропроцессора.

Интеграционная направленность мехатроники стимулирует развитие так называемых гибридных технологий для производства особо компактных и миниатюрных модулей. Гибридные технологии предусматривают использование единых материалов (в первую очередь полупроводниковых - например, кремния) как для механических, так и для микроэлектронных компонент. Это позволяет радикально уменьшать размеры модуля без увеличения его стоимости, что практически невозможно при традиционных производственных технологиях.

Другим примером реализации гибридных технологий, ориентированным на массового потребителя, может служить проект интеллектуальной авторучки, позволяющей писать на бумаге с одновременным вводом текста в компьютер. Для кодирования графической информации используются пьезоэлектрический датчик силы/ускорения и датчик угла наклона ручки. Размещение как чувствительных элементов пьезодатчика, так и всех электронных цепей на одном кремниевом кристалле позволит, по мнению авторов, добиться желаемых габаритов авторучки (не превышающих размеров обычного маркера) при доступной для потребителя цене.

Интересным направлением является применение в интеллектуальных мехатронных модулях косвенных методов измерения параметров механического движения. В этом случае можно вообще отказаться от установки типичных датчиков (даже встроенных), добиваясь минимальных габаритов и материалоемкости модуля. Величины скорости, положения, действующего момента рассчитываются компьютерным блоком по математическим моделям протекающих электромеханических процессов (поэтому иногда применяется термин "виртуальные датчики").

Хорошо известен способ косвенного определения момента, развиваемого двигателем постоянного тока, по пропорциональной величине тока в якорной цепи, который часто используется в промышленных приводах. В последнее время разработан ряд методов и устройств косвенного измерения скорости электродвигателей. Так, стабилизировать скорость вращения асинхронного двигателя можно без установки датчика скорости на его валу, поддерживая в обмотке статора отношение тока к напряжению на заданном уровне с помощью обратной связи по току статора. Для трехфазных вентильных двигателей малой мощности разработан метод коммутации обмоток по ЭДС вращения, позволивший устранить традиционные датчики положения ротора из конструкции двигателя. Все методы косвенного измерения требуют построения адекватных математических моделей и их эффективной компьютерной реализации в реальном времени, включая алгоритмы фильтрации помех, статистической обработки измерений и цифрового кодирования информации. Появление на рынке быстродействующих и недорогих встроенных микропроцессорных средств делает эти методы перспективными для интеллектуальных мехатронных модулей - модулей нового поколения.