Датчики положения для робототехники

Разработка 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.
Период выполнения: 23.09.2014 - 31.12.2016 г.г.
Соисполнитель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники» (МИЭТ)
Индустриальный партнер: ОАО "Концерн Кизлярский электромеханический завод"
Главный конструктор: Стахин Вениамин Георгиевич
Цель работы: Создание научно-технического задела для создания датчиков углового положения на магнитном принципе определения положения с точностными характеристиками на уровне оптических датчиков (энкодеров) и превосходящих их по надежности в тяжелых условиях эксплуатации.
Конечным продуктом, который будет создаваться на основе полученных результатов, являются абсолютные и инкрементальные датчики положения для робототехнических комплексов. В рамках проекта разрабатываются ключевые решения для создания датчиков положения по магнитной технологии.

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.

Рисунок 1 - Схема деления

Рисунок 2 - Конструкция датчика углового положения

На рисунке 3 показана трехмерная модель микросенсорного модуля (абсолютного датчика положения).

Рисунок 3 - Микросенсорный модуль, трехмерная модель (не значащие элементы конструкции скрыты)

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 требования

Технические требования к МСУ магниточувствительной системы:

1 Тип выходного сигнала - синусно-косинусный, дифференциальный;

2 Номинальное напряжение питания, В - 5 ± 0,5;

3 Ток потребления, не более, мА - 20;

4 Максимальная частота выходного сигнала не менее, кГц - 1;

5 Диапазон рабочих температур, °С  -  от минус 40 до плюс  150.

Технические требования к АЦСПО

1 Разрешение по угловому положению не хуже, бит на один период входного сигнала - 15;

2 Время преобразования не более, мкс - 10;

3 Тип входного сигнала – синусно-косинусный, дифференциальный;

4 Программируемый гистерезис на обратное вращение, отсчетов - 1-15;

5 Нулевое положение: программируемое в пределах -  0-360°;

6 Поддержка многооборотного режима работы с программируемым пользователем модулем счета количества оборотов - до 1024;

7 Обмен данными с внешним контроллером должен осуществляться по следующим интерфейсам:

а) последовательный SSI;

б) последовательный SPI;

в) инкрементальный квадратурный интерфейс;

г) выход широтно-импульсной модуляции;

д) аналоговый линейный выход;

е) трехфазный интерфейс для управления вентильными электродвигателями.

8 Настройка аналого-цифрового специализированного процессора обработки сигнала и вычисления кода положения должна осуществляться по интерфейсу SPI.

9 Номинальное напряжение питания, В - 5 ± 0,5;

10 Ток потребления в рабочем режиме, не более, мА – 40;

11 Ток потребления в режиме пониженного энергопотребления, не более, мА – 5;

12 Диапазон рабочих температур, °С - от  минус 40 до плюс 150.

Технические требования к микросенсорному интеллектуальному магниточувствительному модулю (датчику положения)

1 Количество отсчетов на один полный оборот вала не менее - 32768;

2 Выходной интерфейс - последовательный SSI;

3 Максимальная частота обмена данными по выходному интерфейсу не менее, МГц - 2;

4 Номинальное напряжение питания, В - 5 ± 0,5;

5 Ток потребления не более, мА - 80;

6 Диапазон рабочих температур, °С - от  минус 40 до плюс 85.

7 Габаритный размер:

а) диаметр не более, мм – 60

б) длина не более, мм - 80;

8 Вес не более, г - 200.

Текущее состояние работ

Разработана  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

Параметр	Результат испытаний
Тип выходного сигнала	синусно-косинусный, дифференциальный
Синфазное напряжение выходного сигнала, В	1,69 ± 0,012
Амплитуда выходного сигнала, В	0,6 ± 0,055
Частота выходного сигнала при вращении магнита с частотой 1200 об/мин, Гц	20,54 ± 0,521
Номинальное напряжение питания, В	5 ± 0,5
Тактовая частота на выходе PWM, кГц	453 ± 17
Ток потребления, мА	13,4 ± 0,111
Максимальная частота выходного сигнала, кГц	7,1 ± 0,3
Диапазон рабочих температур, °С	от  минус 40 до плюс 150

Таблица 2 - Результаты испытаний АЦСПО

Параметр	Результат испытаний
Разрешение по угловому положению на один период входного сигнала	16
Время преобразования, не более	2,0 ± 0,1
Тип входного сигнала	синусно-косинусный, дифференциальный
Программируемый гистерезис на обратное вращение	0-15 отч.
Нулевое положение программируемое в пределах	0-3600
Поддержка многооборотного режима работы с программируемым пользователем модулем счета количества оборотов	1-1024 об.
Интерфейс обмена данными с внешним контроллером - SSI	Обмен по интерфейсу SSI обеспечивается
Интерфейс обмена данными с внешним контроллером - SPI	Обмен по интерфейсу SPI обеспечивается
Интерфейс обмена данными с внешним контроллером - инкрементальный квадратурный	Обмен по инкрементальному квадратурному интерфейсу  обеспечивается
Интерфейс обмена данными с внешним контроллером - широтно-импульсной модуляции	Обмен по широтно-импульсному интерфейсу обеспечивается
Интерфейс обмена данными с внешним контроллером - аналоговый линейный	Обмен по линейному аналоговому интерфейсу  обеспечивается
Настройка - по интерфейсу SPI	Настройка по интерфейсу SPI обеспечивается
Номинальное напряжение питания	5 ± 0,5 В
Ток потребления	37,4 ± 0,9
Ток потребления в режиме пониженного потребления	4,63 ± 0,12
Диапазон рабочих температур	-40…150 0С

Таблица 3 - Результаты испытаний микросенсорного интеллектуального магниточувствительного модуля

Параметр	Результат испытаний
Количество отсчетов на один полный оборот вала	32768
Выходной интерфейс - последовательный SSI	Линейный, нарастающий или убывающий в зависимости от направления вращения
Максимальная частота обмена данными по выходному интерфейсу не менее, МГц	2
Номинальное напряжение питания	5 ± 0,5
Ток потребления, мА	66,4 ± 4,2
Диапазон рабочих температур, °С	от  минус 40 до плюс 85
Диаметр, мм	44
Длина, мм	45
Вес, г	167 ± 4

По результатам экспериментальных исследований требования ТЗ в целом достигнуты.

Дорожная карта дальнейшего развития проекта

а) Создание полностью однокристального решения, включающего сенсорную систему и прецизионный преобразователь с разрешением преобразования не менее 15 бит;

б) Интеграция алгоритмов адаптивной автокалибровки и компенсации неидеальностей сенсорной и магнитной систем;

в) Создание магнитного датчика линейного перемещения на основе разработанных решений;

г) Интеграция нониусного алгоритма для увеличения разрешения преобразования до 21-25 бит на оборот;

д) Развитие на основе разработанных решений новых решений для оптических датчиков положения.

Рисунок 5 - Перспективы дальнейшего развития проекта в части увеличения разрешения преобразования

Публикации и патенты, выполненные в рамках проекта

1. 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.