Датчики положения для робототехникиРазработка конструктивно-технологических решений создания микросенсорного интеллектуального магниточувствительного интегрального датчика положения для контроля подвижных узлов современных интеллектуальных робототехнических комплексов на основе микросистемной техники
Соглашение о предоставлении субсидии №14.579.21.0059 от 23.09.2014 г. с Министерством образования и науки России. Назначение и области применения: - Создание миниатюрных датчиков положения для подвижных узлов антропоморфных и промышленных роботов;- Создание прецизионных датчиков положения для робототехнических комплексов различного назначения; - Создание прецизионных датчиков положения для обрабатывающих комплексов и высокоточных станков; - Создание датчиков положения в том числе и сверхминиатюрных для беспилотных летательных аппаратов; - Создание датчиков положения ротора, встраиваемых в электродвигатель, для реализации высокоточного управления двигателем.
Краткое описание разработки Микросенсорный интеллектуальный магниточувствительный модуль (датчик положения) представляет собой корпус с магнитной системой с установленными на печатной плате микросхемой микросенсорного устройства магниточувствительной системы (МСУ) и микросхемы аналого-цифрового специализированного процессора обработки сигнала и вычисления кода положения (АЦСПО). Схема деления показана на рисунке 1. На рисунке 2 показана концепция работы разрабатываемого датчика положения. На валу, присоединенному к объекту измерения, располагается диаметрально намагниченный магнит. Переменное поле магнита воздействует на матрицу элементов Холла, расположенную на кристалле МСУ. Матрица элементов Холла спроектирована таким образом, что преобразует сигнал магнитного поля в электрический синусно-косинусный сигнал, однозначно определяющий положение вала. Синусно-косинусный сигнал далее обрабатывается микросхемой АЦСПО с высоким разрешением преобразования. На выходе АЦСПО формируется цифровой сигнал в нескольких наиболее распространенных вариантах интерфейсов передачи данных.
На рисунке 3 показана трехмерная модель микросенсорного модуля (абсолютного датчика положения).
АЦСПО представляет собой специализированную микросхему с аппаратной реализацией функций математической обработки сигнала. Для преобразования сигналов в цифровое представление используется два канала аналого-цифрового преобразования на основе прецизионных сигма-дельта АЦП. Структурная схема АЦСПО приведена на рисунке 4.
Для модернизации существующего парка оборудования в АЦСПО встроена функция обработки сигнала с синусно-косинусных вращающихся трансформаторов, широко применяемых в России.
Рисунок 4 - Упрощенная структурная схема АЦСПО
Основные технические требованияТехнические требования к МСУ магниточувствительной системы:
Технические требования к АЦСПО
Технические требования к микросенсорному интеллектуальному магниточувствительному модулю (датчику положения)
8 Вес не более, г - 200. Текущее состояние работРазработана и изготовлена микросхема МСУ. Микросхема изготовлена по КМОП технологии с проектными нормами 180 нм. Разработана и изготовлена микросхема АЦСПО. Микросхема изготовлена по КМОП технологии с проектными нормами 180 нм. Разработан и изготовлен магниточувствительный модуль. Разработан и изготовлен стенд для проведения экспериментальных исследований. Завершен этап экспериментальных исследований в соответствии с утвержденными программами и методиками. Проводятся дополнительные исследования. Проводятся маркетинговые исследования и работа с потенциальными потребителями. Результаты испытаний МСУ, АЦСПО и модуля приведены в таблицах 1-3.
Таблица 1 - Результаты испытаний МСУ
Таблица 2 - Результаты испытаний АЦСПО
Таблица 3 - Результаты испытаний микросенсорного интеллектуального магниточувствительного модуля
По результатам экспериментальных исследований требования ТЗ в целом достигнуты. Дорожная карта дальнейшего развития проекта
Рисунок 5 - Перспективы дальнейшего развития проекта в части увеличения разрешения преобразования Публикации и патенты, выполненные в рамках проекта1. Potekhin D.S., Tarasov I.E., Potekhin S.D. Improvement of Metrological Characteristics of Inductive Displacement Sensor of Movement Based on Digital Vector Diagram Reconstruction of Signals In Windings. International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973-4562 Volume 10, Number 8 (2015), стр. 20343-20349. 2. Kovtun D.G., Sinyutin C.A., Prokofev G.V., Stakhin V.G., Obednin A.A. Research of digital signal processing methods on the basis of the wavelet transformation for signal processing from a position sensor of the angle-component solvers. International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973-4562 Volume 10, Number 18 (2015) стр. 38808-38811. 3. A.E. Timofeev, G.V. Prokofyev. Research of horizontal structure of Split-Drain Magnetic-Field Sensitive Field-Effect Transistor. International Journal of Applied Engineering Research, ISSN 0973-4562, Volume 10, Number 24 (2015), стр. 44203-44205. 4. Прокофьев Г.В., Стахин В.Г., Обеднин А.А., Германов Р.В. Разработка датчика положения для контроля подвижных узлов современных интеллектуальных робототехнических комплексов. Тезисы докладов школы-семинара «Актуальные проблемы информационных технологий, электроники и радиотехники – 2015» (ИТЕР-2015), 2015, том 1, стр.197-200. 5. Г.В. Прокофьев, К.Н. Большаков, В.Г. Стахин. Микросхемы обработки сигнала датчиков положения с высоким разрешением. Материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении» (КомТех-2016), 7-10.06.2016, Россия, Таганрог, стр.26-31. 6. Г.В. Прокофьев, К.Н. Большаков, В.Г. Стахин, А.А. Обеднин. Разработка микросхемы обработки сигнала с синусно-косинусных датчиков положения с высоким разрешением. Журнал “Известия ЮФУ. Технические науки”, ISSN 1999-9429, №3(176), 2016, стр.30-42. 7. Моршнев В.В., Прокофьев Г.В. Патент РФ №2589755 от 14.04.2015. Способ калибровки и устройство измерения угла на основе мостового магниточувствительного датчика. |