Traductoare de pozitie liniara

Traductoarele de pozitie liniara covertesc miscarea intr-un semnal electric care poate di masurat, inregistrat sau transmis.

Fig.1 Constructia traductorului liniar

Fiecare tip de traductor are propriile modalitati de exprimare si cand se fac comparatii , este important sa se inteleaga cum o caracteristica a altui traductor si cum afecteaza forma semnalului de iesire , analogic sau numeric , rezolutia de marusrare si corespunzator, performantele sau stabilitatea unui sistem din traductor.

Din perspectiva unui proiectant de sistem, problema de baza legata de traductoare este „ ce fel de informatii are la iesire si cum este folosit traductorul”.

Un traductor de pozitie este un dispozitiv electromecanic care transforma informatia de pozitie in semnale electrice. Traductoarele de pozitie pot fi grupare in doua categorii de baza :

- Traductoare incrementale sau absolute;- Traductoare de pozitie in contact sau de proximitate;

Traductoare incrementale liniare.

Principiul de functionare al acestor traductoare se bazeaza pe impartirea domeniului de masurare intr-un numar de cuante elementare si contorizarea acestora simultan cu deplasarea elementului mobil. Elementul de baza la aceste sisteme este rigla de masura (fig.2 ). Constructia riglei de masura depinde de principiul utilizat. Sunt folosite frecvent doua sisteme: inductosinul liniar sau rigla optica.

Traductoare utilizate pentru măsurarea poziţiei

Aceste traductoare convertesc o deplasare a elementelor mobile într-un semnal electric compatibil cu prelucrări numerice ulterioare. În cele ce urmează vor fi trecute în revistă principalele traductoare de deplasare utilizate precum şi caracteristicile lor de bază.

a)Traductoare analogice.

1

Măsurarea analogică a poziţiei este cel mai simplu sistem demăsurare. În figura 1 este reprezentat sistemul pentru deplasări liniare . Conectarea cursorului potenţiometrului la elementul mobil permite măsurarea unei

tensiuni,

În general, măsurarea liniară rezistivă nu este indicată. Măsurarea unghiulară esteutilizată datorită simplităţii soluţiei şi preţului de cost foarte mic. Cu toate acestea, trebuiesubliniat faptul că aceste sisteme dau erori mari iar  precizia măsurării este scăzută.

Figura 1

b)Traductoarele numerice.

Traductoarele din această categorie convertesc mărimea măsurată, deplasarea, într-un număr N corespunzător numărului de cuante de deplasareechivalent cu distanţa parcursă. După modul în care este redat acest număr N se disting două tipuri de traductoare: incrementale la care ultima poziţie atinsă este obţinută din poziţia precedentă prin cumularea cu numărul de cuante corespunzătoare deplasării şi absolute în care numărul de cuante este codificat într-un cod adecvat.

Inductosinul liniar este de fapt transpunerea in plan a unui selsin multipolar care rotorul este o rigla a carei lungime trebuie sa acopere domeniul de masurare iar statorul este un cursor ce se deplaseaza deasupra riglei. Rigla are o singura infasurare iar cursorul are doua infasurari, ambele realizate cu acelasi pas dar decalate cu (2k+1)p/2.

2

Cele doua infasurari ale statorului sunt alimentate cu tensiuni de forma u1=U sin ωt, si u2=U

sinωt , la iesire, pe infasurarea riglei , fiind obtinuta tensiunea u=U’ sin( ), unde x este pozitia

relativa intre rigla si cursor in cadul unui pas. Deci cota totala se calculeaza cu o relatie de forma, X=Np/2+x.

Masurarea pozitiei va fi realizata in doua etape, o contorizare a semipasilor p/2 urmata de o masurare a fazei semnalului in cadrul unui pas. Considerand o realizare tehnologica cu pasul p al riglei de ordinul mm, masurarea fazei determina obtinerea unei precizii pana la ordinul micronilor. Aceste sisteme de masura au, de asemenea, avantajul unei deosebite robusteti tehnologice.

Măsurarea liniară cu rigle optice se bazează pe marcarea paşilor de măsură cu zoneopace şi transparente pe suport (riglă) corespunzător. Un sistem optic a decvat permite captarea unui semnal electric la fiecare pas parcurs de elementul mobil. Detecţia primară esterealizată de un sistem de fotocelule dispuse după o anumită lege în jurul unei axe de citire.

În figura 3 este prezentat un sistem cu patru fotocelule cu un decalaj egal cu p/4, una în raport cu cealaltă. Se obţine astfel o multiplicare a numărului impulsurile realizate lafiecare pas, deci o precizie de patru ori mai ridicată. Mai mult, ţinând cont de ordinea de formare în timp a semnalelor a două fotocelule vecine se poate construi un circuit careidentifică sensul de deplasare al elementului. În acelaşi timp, compararea semnalelor  provenite de la fotocelule permite eliminarea zgomotelor parazite determinate fie de perturbaţii externe de natură electrică, fie datorate vibraţiilor mecanice ale sistemului. Deşi în general creşterea numărului de fotocelule oferă avantaje privind în special precizia măsurării,aceasta determină în acelaşi timp, o mărire substanţială a complexităţii echipamentului optic astfel încât se preferă sisteme cu două sau patru fotocelule.

Figura 3

Pentru interpretarea distanţei măsurate, semnalele furnizate sunt contorizate cel mult într-un circuit ce constituie interfaţa pentru echipamentul de conducere numeric. Un astfel de sistem este prezentat în figura 4. Elementul principal este un numărător ce acumuleazăimpulsurile, după o prelucrare prealabilă a acestora într -un amplificator de putere şi un circuit formator.

3

Figura 4

Dat fiind caracterul logic al semnalelor furnizate acest traductor se interfaţează uşor curestul echipamentului de comandă al robotului. Valoarea măsurată este stocată într -o memorie tampon după care este captată într -un procesor numeric ce controlează întregul proces.Trebuie subliniată simplitatea sistemului de prelucrare numerică, caracteristică ce face ca întotdeauna măsurarea incrementală să fie preferabilă altor proceduri, în general mai precise dar mult mai complexe.

Traductoare absolute liniare

Traductoarele din această categorie sunt construite pe sistem optic şi au ca element de bază o riglă de măsurare a cărei valori cuantificate sunt exprimate într -un cod absolut.Codificarea se face în cod binar natural, binar codificat zecimal sau Gray. Primele douăcoduri sunt familiare utilizatorilor şi oferă facilităţi în prelucrarea numerică a mărimilor măsurate în schimb pot determina apariţia unor erori la trecerea de pe o poziţie pe alta datorităschimbării simultane a mai multor ranguri binare.Codul Gray elimină acest neajuns dar implică circuite numerice specializate pentru calculele ulterioare.

Metode de măsurare a poziţiei

Pentru a exemplifica modalitatea de extragere a informaţiilor din semnalele ua şi ub, obţinute cu traductoarele incrementale de deplasare unghiulare (TID), în figura 8 sunt prezentate formele de variaţie în timp a semnalelor caracteristice pentru deplasarea în sens direct (figura 8a) respectiv sens invers (figura 8b). Semnalele uia şi uib (impulsuri rectangulare de scurtă durată) sunt obţinute prin detecţia fronturilor de ridicare ale semnalelor  ua şi ub.

Figura 8

Rezoluţia măsurării poziţiei depinde de cursa maximă a axei, şi numărul de biţi pecare se face măsurarea. De exemplu, dacă cursa pe o axă este de 1000 mm şi măsurarea poziţiei se efectuează pe 16 biţi,

rezultă rezoluţia.

În general poziţia se măsoară pe 16 biţi, uneori când precizia de prelucrare este de ordinul μm măsurarea se poate extinde pe 32 de biţi.Realizarea practică a contorizării poziţiei este dependentă de frecvenţa maximă derepetiţie a impulsurilor obţinute de traductorul incremental de deplasare. Evident, frecvenţamaximă depinde de viteza de deplasare a axei, în aceiaşi măsură depinzând de numărul deimpulsuri furnizate de traductor la o rotaţie completă. În funcţie de aplicaţia concretă,frecvenţa maximă a impulsurilor generate de traductor poate avea valori mici (de

4

ordinul n•kHz), sau relativ mari (100÷200•kHz). La valori mici ale frecvenţei impulsurilor furnizate de traductor, unde nu apar constrângeri de timp numărătorul reversibil se poate implementa cu ajutorul unuimicrocontroler (μC), realizându-se măsurarea poziţiei absolute actuale prin metoda soft. La frecvenţe mari realizarea cu microcontroler a numărătorului reversibil nu este posibilă datorităfaptului că timpul necesar subrutinelor care intervin în operaţia de numărare devine tot maimare şi astfel microcontrolerul nu mai are timp suficient pentru a realiza calculele necesare pentru reglarea propriu-zisă. În aceste situaţii este nevoie de utilizarea unor numărătoare externe, al cărui conţinut este transferat periodic microcontrolerului, realizându-se măsurarea poziţiei absolute actuale prin metoda hard.

Reglarea în buclă închisă presupune ca la intervale constante (perioadă de eşantionare)să se efectueze ciclic următoarele operaţii: măsurarea poziţiei (vitezei, acceleraţiei), calcule pentru obţinerea mărimii de comandă necesară reglării şi comanda propriu-zisă (figura 12)

Figura 12

Este de dorit ca fiecare dintre aceste operaţii să se efectueze într -un interval de timp cât mai scurt. Dar dacă, spre exemplu, intervalul de timp necesar măsurării este mai mare, acesta poate conduce la situaţia în care să nu mai fie timp suficient pentru elaborarea mărimii de comandă şi efectuarea comenzii între cele două momente de eşantionare,  kTe şi (k+1)Te.

Circuitul de detecţie a poziţiei iniţiale

Detecţia poziţiei iniţiale se poate efectua cu ajutorul unui microîntrerupător μI, sau cusenzor inductiv de poziţie. În cazul microîntrerupătorului, prin deplasarea unei came lipite deaxul care se deplasează se închide sau se deschide un contact electric (figura 13). Pentru creşterea preciziei de detectare a poziţiei iniţiale pe o axă, de fapt se utilizează concomitent semnalul UμI ,care provine de la microîntrerupător şi semnalul Utură, care indică efectuarea uneirotaţii complete.

Figura 13

5

În figura 14 se prezintă o schemă de principiu pentru detecţia impulsul care indică poziţia iniţială pe o axă uI. În vederea obţinerii unor impulsuriadecvate porţile utilizate sunt de tipul trigger Schmitt. Capacităţile de filtrare Cf servesc pentru creşterea marginii de zgomot.

Figura 14

Senzorul inductiv de poziţie are în principiu o construcţie similară cu cel almicroîntrerupătorului. În loc de camă se utilizează cu un mic magnet permanent lipit pe axă şi o sondă Hall împreună cu un oscilator cu o frecvenţă de ordinul n•100kHz.

Metoda soft de măsurare a poziţiei.

La prezentarea principiului de măsurare a poziţiei absolute prin metoda soft se va utiliza schema bloc din figura 15 şi diagr amele de timp ale semnalelor caracteristice din figura 16 respectiv figura17.Impulsul ui este generat de circuitul de detecţie a poziţiei iniţiale, impuls care arevaloarea ”1” logic când axa se află chiar pe poziţia iniţială.

Figura 15

Cu ajutorul reţelei de întârziere RC şi a circuitelor inversoare (de tipul trigger Schmitt)se stabileşte durata exactă a întârzierii τ. Pentru cererea unei întreruperi se utilizează impulsul INT, care practic rezultă din detecţia fronturilor de ridicare şi de coborâre din semnalul ua (figura 16).

6

Figura 16

În figura 17 sunt prezentate formele de variaţie în timp a semnalelor care provin de la traductorul incremental de deplasare ua şi ub, în cazul deplasării în sens direct respectiv sens invers. După cum se observă în această figură, în momentele de cerere a unei de întreruperi,între semnalele de intrare Q1 şi Q2 ale microcontrolerului există următoarele relaţii:

- pentru sensul direct (SD) semnalele Q1 şi Q2 sunt complementare;

- pentru sensul invers (SI) semnalele Q1 şi Q2 sunt egale;

Figura 17

Bitul Q0 este testat în permanenţă, sau se va genera o altă întrerupere (INT2) şi, dacă Q0=1, se va iniţializa pe 0 registrul intern R de 16 biţi în care se contorizează numărul total de impulsuri (poziţiei absolută actuală). Pentru a constata dacă sensul de deplasare este direct sauinvers, se va testa dacă semnalele Q1 şi Q2 sunt complementare respectiv egale. Dacă semnalele Q1 şi Q2 sunt complementare, la fiecare impuls de întrerupere, se va incrementa cu 1 conţinutul registrului R. Dacă însă, semnalele Q1 şi Q2 sunt egale, la fiecare impuls de întrerupere, se va decrementa cu 1 conţinutul registrului R. Schema logică a programului traductor de poziţie este prezentată în figura 18.

Figura 18

Metoda hard de măsurare a poziţiei

Măsurarea poziţiei absolute actuale prin metoda hard se bazează pe utilizarea unor numărătoare externe, al căror conţinut este transferat periodic microcontrolerului la fiecaremoment de eşantionare. Astfel microcontrolerul este degrevat de sarcina numărării (măsurării)  propriu-zise. Între două momente

7

de eşantionare funcţionarea numărătorului esteindependentă. În figura 19 este prezentată schema decodificatorului de sens şi a generatorului impulsului de tact uL, iar în figura 20 sunt prezentate semnalele care descriu funcţionarea circuitului.

Figura 19 Figura 20

În figura 21 este prezentată schema bloc de principiu a măsurării poziţiei prin metoda hard. Impulsul Ui, de la ieşirea circuitului de detecţie a poziţiei iniţiale (DPI ) se utilizează pentru resetarea atât a numărătorului cât şi a registrului tampon corespunzător poziţiei iniţiale(valoarea zero). Conţinutul numărătorului se modifică (creşte sau scade) în funcţie deexistenţa impulsurilor  xSD şi xSI, semnale care rezulta la ieşirea circuitului de decodificare sens (DCD). Pentru ca pe durata transferului conţinutul numărătorului N, să nu se poatămodifica între microcontroler şi numărător se utilizează un registru tampon de 16 biţi, RT . Evident şi transferul conţinutului numărătorului în registrul tampon se efectuează în momente în care se exclude modificarea conţinutului numărătorului. Dacă microcontrolerul este pe 8 biţi, între acesta şi registrul tampon se mai intercalează un multiplexor, MUX (16/8). Citirea registrului se efectuează la solicitarea microcontrolerului, semnalat cu un impuls, uT, care are frecvenţa de repetiţie f e, astfel încât pe durata acestui transfer încărcarea conţinutuluinumărătorului în registru este blocată.

Figura 21

8

CUPRINSTraductoare incrementale liniare.....................................................................................................................1

Traductoare utilizate pentru măsurarea poziţiei..............................................................................................1

Traductoare absolute liniare............................................................................................................................4

Metode de măsurare a poziţiei........................................................................................................................4

Circuitul de detecţie a poziţiei iniţiale..............................................................................................................5

Metoda soft de măsurare a poziţiei..................................................................................................................6

Metoda hard de măsurare a poziţiei................................................................................................................7

BIBLIOGRAFIE

1. Gacsádi Alexandru „Bazele Roboticii Curs pentru studenti” Universitatea din Oradea 20082. Valer Dolga  - Mecatronicǎ. Teoria sistemelor, Editura Politehnica, Timişoara, 20103. Adriana Teodorescu – Teoria sistemelor automate, Editura Politehnica, Timişoara, 2003

9