SENZORI POLOŽAJA OSA ROBOTA

“…If you keep moving in that direction,we always can displace you to such a positionthat is not embarrassing to the level of your wisdom”.

UVOD

•Šta su senzori položaja osa?•Zašto su bitni?•Kako se dele? Potenciometri Rizolveri Enkoderi LVDT

POTENCIOMETRI

•Promenljiv otpornik

•Namotana žica; od kermeta

•Meri se napon

A sad malo naše omiljeno…

…formule!

Poboljšanje nelinearnosti

Osobine potenciometarskih senzora

Prednosti: • jeftini, • jednostavna konstrukcija, bez dodatnih elektronskih

komponenti,• visok nivo izlaznih signala ,• otporni na interferencije i smetnje, • senzori od provodljive plastike imaju veliku mernu tačnost• širok merni opseg: linearni potenciometri- od nekoliko

milimetara do nekoliko metara, rotacioniod 0° do približno 360

• podnose temperature do 250°C,• fleksibilna karakteristika (može se po potrebi promeniti

promenom širine provodničke trake)

Mane:•Mehaničko habanje•Abrazija − greške merenja usled čestica

koje su produkti abrazije •Varijacije u kontaktnoj otpornostiizmeđu

klizača i merne trake •Nepogodni za minijaturizaciju•Spori •Potrebno je da imaju fizički kontakt sa

objekom •Mala stabilnost u okruženju

PRIMENAPotenciometarski pretvarač sa klatnom

U vozilima

Pisači/crtači

Muzički instrumenti

Prekidači za svetlo

RIZOLVERI

Šta su rizolveri ?• Rizolver je senzor elektromagnetnog tipa i

pripada grupi sinhronih mašina. Senzor poseduje najmanje tri namotaja

• Način motanja je isti i za stator i za rotor.

• Namotavanje provodnika je izvedeno na način prikazan na slici

(a) namotaji na rotoru, (b) uređaj s jednim statorskim i jednim rotorskim namotajem, (c) uređaj sa dva statorska i jednim rotorskim namotajem

Izgled rasečenog sklopa“klasičnim” mehaničkim rizolverom kao pratecim delom servomehanizma

Šematski prikaz rizolvera

Sa pojavom DSP procesora proces konverzije

Sa pojavom DSP procesora proces konverzije

Karakteristike

Podela• U zavisnosti od oblika promene napona u

sekundaru obrtnog transformatora,• u funkciji ugla obrtanja, razlikujemo tri tipa

rizolvera:• 1. sinusni rizolveri,• 2. sinusno-kosinusni rizolveri,• 3. linearni rizolveri .• S obzirom da se pomoću sinusno-kosinusnog

rizolvera mogu realizovati sva tri navedena tipa, posebnu paznju cemo posvetiti njemu, o cemu ce kasnije biti reci

Elektromagnetni rezolver sa sinhrokonvertorom

Prednosti i karakteristike :

• - Otporan / jak , za industrijsku upotrebu

• - Dug vek trajanja / servis

• - Izlazni siglnal može biti transmitovan i na duže

distance bez problema

• - Elektronika nije osetljiva

• - Zahtev za procenu specijalnog signala

• - Samo jedan senzor za položaj i brze informacije

Rizolver firme

Osobine:•Pouzdan u nepovoljnim uslovima•Konstrukcija bez četkica – idealan u paru

sa servo motorima bez četkica•Visoka ugaona preciznost i ponovljivost•Nema potrebe za održavanjem•Malih dimenzija (2.8 cm nominalna

veličina)•Metalno kućište

Enkoderi

Podela prva: Apsolutni InkrementalniPodela druga: Mehanički Optički Magnetni Induktivni Kapacitivni

Apsolutni enkoderi• Digitalni pretvarači za apsolutno merenje

uglova koriste se u opsegu počev od 0 - 360°, pa do preko 1000 punih obrtaja

• Imaju široki spektar primena u prenošenju ugaonih podataka u servo ili telemetrijskim uređajima, kao što je na pr. praćenje pomeranja radarskih antena, kamera Digitalni pretvarači daju izlaznu veličinu direktno u digitalnom obliku u nekom od uobičajenih kodova

• Predstavljaju jednu vrstu analogno - digitalnih konvertora

•Kao osnovni deo kodni disk koji se obrće pomoću osovine čije se ugaono pomeranje meri

•Prikazani pretvarač radi sa četiri digita u binarnom kodu tj. pun ugao se meri u 16 diskret-nih nivoa

•Podeljen na koncentrične prstenove po kojima klize nepomi-čne četkice na kojima se dobijaju digitalni signali

Optoelektronski pretvarači

•Umesto četkica sa jedne strane diska nalaze se svetlosni izvori (LED diode), a naspram njih sa druge strane diska fotonaponske silicijumske diode, čiji signali predstavljaju binarne signale

•Prednosti optoelektronskih pretvarača su, pre svega, u daleko dužem radnom veku

•Većim dozvoljenim ugaonim brzinama, (300 ob/min kod kontaktnih i 3000 ob/rnin kod optoelektronskih pretvarača

Izgled

•Četkice za očitavanje signala, ili svetlosni izvori i indikatori, neophodno je da budu postavljene strogo radijalno u liniji očitavanja

•Ukoliko bi 2^3 bio pomeren malo ulevo, onda se pri malom pomeraju suprotno od pravca kazaljke događa da taj indikator dobije signal, ostala tri indikatora ne. U tom trenutku očitava se ugao prikazan binarnim kodom 0-10+0-2'+0-22+1-23 = 8, tj. ugao koji je pogrešan za čitavih 180°

Grejov kod

•Opisane greške se mogu otkloniti ako se umesto binarnog koristi Grejov kod

•Dva susedna broja međusobno razlikuju samo za po jednu binarnu cifru

•Na taj način greške usled pomerenih četkica imaju vrednost samo jednog digita

•Konverzija binarnog u Grejov kod obavlja se uz pomoć računske operacije sabiranja po modulu 2

Istinitosna tablica operacije sabiranja bez prenosa, b) tablica prvih 15 brojeva u decimalnom, binarnom i Grejovom kodu

Улаз 1 Улаз 2 Излаз

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 0

Децимални бинарни код Грејов код0 0000 00001 0001 00012 0010 00113 0011 00104 0100 опо5 0101 01116 0110 01017 0111 01008 1000 11009 1001 1101

10 1010 111111 1011 111012 1100 101013 1101 101114 1110 100115 1111 1000

Konverzija

•Postupak konverzije binarnog u Grejov kod glasi:

cifra bi jednaka je cifri ai ako je ai+1 nula. Ako je ai+1 jedan, bi ima komplementarnu vrednost od ai

•Konverzija Grejovog u binarni kod prikazana je

cifra ai jednaka je cifri bi ako je ai+1 nula. Ako je ai+1 jedan, ai ima komplementarnu vrednost od bi

Optički-inkrementalni

•Pretvarač merenog ugla + brojač impulsa

•Izvor svetlosti=led dioda

•Obrtni disk

•Prijemnik svetlosti=fotodioda

•Elektronska kola za obradu

OSOBINE

Prednosti:• visoka rezolucija• široka rasprostranjenost• tačnost•Velika brzina odziva Mane:• osetljivi na spoljašnje uticaje•gubitak jednog impulsa neotklonjiva greška• mehaničke poremećaje •uzak opseg radne temperature

PRIMENA

•U motorima za kapije, garažnim vratima, parking rampama

Miševi-nekada nezamenljivi

ECCE ROBOT• koristi potenciometre+inkrementalne enkodere

Magnetni

•Disk sa N/S polovima+senzor•Senzor: Na bazi Holovog efekta ili

magnetno-rezistivni senzor•Sinusoidalni signal->kvadratni signal->

drajver/kontroler

Osobine magnetnih enkodera

Prednosti: •Otpnost na prasinu, prljavštinu, vodu, i

temperaturne promene• Velika pouzdanost i vek trajanja• Integrisana elektronika• Kompaktna veličina Mane: •Mala rezolucija • Interferencija sa magnetnim uređajima iz

okoline

Magnetni vs. Optički Rezolucija:•Magnetni-zavisi od broja magnetnih polova,

broja senzora, tipa električnog kola, kod optičkih od broja proreza/provodnih/providnih površina

Otpornost na okruženje:•Magnetni otporni na grubo okruženje-Optički

dosta osetljiviPreciznost i tačnost:•Magnetni-Dosta lošija preciznost u odnosu na

optičke

PRIMENAUkancelarijskoj opremi- štampači i skeneri

U automobilskoj industriji-

za mehaničke pomeraje pri kontrolisanju brzine

U naučnoj industriji-teleskopi

Industrija- • magnetni enkoder se koriste u transporterima,• za etiketiranje i pakovanje, • mašinama alatkama sa jednom i više-osnim kontrolorom

U medicinskoj industriji• magnetni enkoderi su koriste u medicinskim

skenerima• pumpicuama • za kontrolu mikroskopskih ili nanoskopskih pokreta automatizovanih uređaja. 

Wabian serija

Država: JapanProizvođač: WasedaGodina: 2005Visina: 1.52mTežina: 64kgDOF: 41

NAO ROBOT

• 36 magnetnih enkodera na bazi Holovog efekta

Kapacitivni

•Generišu izlazni signal usled promene kapacitivnosti koristeći visokofrekventni referentni signal

•Poslednjih godina ekspanzija, relativno novi u poređenju sa ostalim

• Jeftini•Od loše do visoke rezolucije•Pouzdani i tačni

PRIMENA

Induktivni•Uređaji nove generacije!•Kombinacija rizolvera i •optičkih enkodera•Koriste štampane ploče kao svoje glavne

komponente•Nema potrebe za ležajevima

PRIMERI

•Heidenhain ECI/EQI 1300• Heidenhain ECI 119•Zettlex IncOder

PRIMENA

•Avio industrija

•Alatne masine

•Medicinska tehnika

•Robotika

OSOBINE

PREDNOSTI: •visoka rezolucija• tačnost• pouzdanost•robusnost•dug vek trajanja MANE: •temperaturni opseg veći nego kod

optičkih ali manji nego kod rizolvera

ENKODERI-SUMA SUMARUM

LEGO ROBOT

LVDT

Sta je LVDT?• LVDT (Linear Variable Differential Transformer)

senzori spadaju u grupu elektromehaničkih pretvarača koji pretvaraju mehanički pravolinijski pomeraj u odgovarajućielektrični signal

Princip konstrukcije i šematski prikaz LVDT senzora

Princip konstrukcije i šematski prikaz LVDT senzora

Struktura tipičnog LVDT senzora

Princip rada

• Naizmenični napon napajanja priključen na primaruup = Un sin(ωt),

formira naizmenično magnetno polje, pa će se na sekundarnim navojima indukovati naponi us1 = KA sin(ωt-φ) i us2 = KB sin(ωt-φ)

• kod LVDT senzora, amplituda izlaznog napona proporcionalna je poziciji, a njegova faza smeru kretanja. Izlazni napon se može približno prikazati sledećom jednačinom

ui ≈ ±C1Δx

C1 je konstanta zavisna od broja namotaja, učestanosti struje primarnog namotaja

LVDT: a) konstrukcija, b) tipični izgled

Karakteristike• Tipicna tacnost je ± 0, 25% 0psega• opseg od ± 100 μm do ± 250mm• relativni pomeraj Δx/x = 1, 5• osetljivost 10 − 20 mV/mm po jednom voltu

napona napajanja• frekvencija napona napajanja od 50 Hz do

nekoliko kiloherca• maksimalna radna temperatura do 500 oC• Dinamicki pomeraju mogu se pratiti najvise do

frekvencije 1 kHz

Glavne prednosti induktivnih (LVDT) davača pomeranja su:

• rad bez trenja

• neograničena rezolucija

• neograničen radni vek

• zaštita od prekomernog hoda

• osetljivost u samo jednoj osi

• rastavljivost jezgra i klipa

• robusnost i otpornost na spoljašnu sredinu

• apsolutni izlaz

• brz odziv

Primena LVDTa• LVDT senzor pokazuje dobre osobine u tehničkoj

praksi• Može se upotrebljavati i u agresivnoj sredini, pod

uslovom da se navoji oblože zaštitnim epoksi-smolama

• U rastojanju izmedju rolni

•Masine za ubrizgavanje• Masine za ubrizgavanje koriste senzore pritiska i LVDT senzore da kontrolisu i mere otvaranje i zatvaranje kalupa, kontolise rad sprege, kao I drugih hidraulickih i pneumatskih aktuatora

•Kontrola pozicije ventila• LVDT povratni signal je analogni signal koj je proporcionalan

otvorenosti ventila.

LVDT firme

•Merno područje: ±1.25 mm - ±50.0 mm•Ponovljivost: 0.6 μm•Nelinearnost od 0.25% ili bolja•Temperatura rada: -55oC do 105oC•Toplotni koeficijent osetljivosti: -0.02 %/oC

Rizolver vs Enkoder

• Izlazni signal

• Ulazni signal

•Lokacija Elektronike

Primena enkodera Primena Rizolvera

• Kontrola brzine AC indukcionog motora i kontola pozicije• Kontola brzine DC motora i kontrola pozicije• AC i DC servomotori

• Stalni Magneti i kontrola brzine

• AC i DC servo motor i kontrola brzine

Mogu li zameniti enkoder rizolverom

• Za postojece instalacije enkoderi mogu zameniti rizolvere samo ako ulazni uredjal(PLC , disk) enkoderske kvadratne ulazne signale prepozna kao alternativne rizolver ulaze.

• Kod novih instalacija enkoder moze zameniti skoro sve rizolvere osim u

slucajevima :

• -40°C ili 100°C

• Ako ulazni uredjaj ne moze da prihvati signale enkodera• Skoro svi AD i DC uredjaji mogu koristiti enkodere kao povratnu spregu, a

vrlo malo njih moze koristiti rizolvere. Vecina servo motora i stalnih magneta moze koristiti enkodere i rizolvere.

• Mogu li zameniti enkoder rizolverom?• Za postojece instalacije enkodere mogu zameniti rizolverom samo ako

ulazni uredjal(PLC , disk) sinusne/kosinusne ulazne signale prihvate kao alternativne enkoder ulaze

HVALA NA PAŽNJI!(Reši rebus )