Варианты коррекции сигнала от датчика момента

МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ СИГНАЛА
ОДНОКОМПОНЕНТНОГО ДАТЧИКА
МОМЕНТА ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В
СИЛОМОМЕНТНОМ УПРАВЛЕНИИ
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ ШАРНИРОМ
Титов В.В., программист ЦНИИ РТК, victortitov2005@mail.ru
Шардыко И.В., программист ЦНИИ РТК, ddeer@bk.ru
Даляев И.Ю., инженер ЦНИИ РТК, mehatroniks@gmail.com
Аннотация
Статья посвящена калибровки датчика момента,
применяемому
в
силомоментном
управлении
исполнительным модулем. Предложены способы расчётной
компенсации паразитных составляющих сигнала по моменту,
вызванных механическими особенностями установки датчика
в модуле.
Введение
Для того чтобы иметь возможность управления электромеханическим
исполнительным модулем (шарниром) в силомоментном режиме,
необходимо иметь информацию о внешнем моменте, приложенном к
выходному валу шарнира [1–3], в то время как фактически на
интегрированном в шарнир датчике момента проявляются различные
механические эффекты, приводящие к появлению паразитных моментных
составляющих.
Исполнительный электромеханический шарнир предназначен для
перемещения и позиционирования полезной нагрузки, присоединенной к
выходному звену, вокруг своей оси с заданным законом управления
(положением, скоростью, моментом). Шарнир состоит из следующих
основных составляющих: бесколлекторного двигателя постоянного тока,
датчика положения ротора двигателя, волнового редуктора, датчика
абсолютного положения на базе вращающегося трансформатора,
подвижного и неподвижного корпусов, несущих подшипников, платы
привода,
стыковочных
конусных
фланцев
с
электрическими
соединителями и однокомпонентного датчика момента, фланец которого
представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 — Фланец однокомпонентного датчика момента
Недостатки фактической информации, получаемой с
датчика момента
При работе шарнира момент с вала двигателя передается на генератор
волнового редуктора. Генератор деформирует гибкое зубчатое колесо
волнового редуктора чашечного типа, которое входит в зацепление с
жестким колесом редуктора. Момент с гибкого колеса через вал передается
на внутренний обод датчика момента [4] и через три гибких спицы - на его
внешний обод и, далее, на подвижный корпус. Плата датчика момента
обрабатывает информацию от тензорезисторов, закрепленных на гибких
спицах датчика.
При включении шарнира в режиме холостого хода (внешний момент
отсутствует) с заданной постоянной скоростью, сигнал, получаемый с
датчика момента, имеет вид, показанный на рисунке 2.
Рисунок 2 — Выходной сигнал датчика момента
Как видно из графика, сигнал обладает двумя явными паразитными
составляющими – низкочастотной и высокочастотной. Низкочастотная
составляющая имеет форму гармонического колебания с периодом,
соответствующим
обороту
выходного
вала.
Высокочастотная
составляющая имеет сложную форму, однако в определённой степени
повторяет свою форму с постоянным периодом, равным 3,6°. С учётом
того, что передаточное отношение волнового редуктора данного шарнира
i=100, период высокочастотной составляющей соответствует одному
обороту двигателя либо перемещению гибкого колеса волнового редуктора
на два зуба. Чтобы рассмотреть данную составляющую подробнее, на
рисунке 3 приведён участок графика в увеличенном виде.
Рисунок 3 — Фрагмент сигнала с датчика момента
По представленному графику можно предположить, что два явно
выраженных максимума на одном периоде данной помехи соответствуют
двум зубьям, на которые перемещается за это время гибкое колесо
волнового редуктора. Опытным путём установлена высокая повторяемость
данной кривой за серию испытаний шарнира на холостом ходе.
Низкочастотную составляющую можно объяснить неточностью
закрепления выходного вала шарнира и вместе с ним датчика момента –
несоосностью подшипниковой опоры. Повторяемость данной кривой
также подтверждена испытаниями.
Варианты коррекции сигнала от датчика момента
Коррекция сигнала осуществляется вычитанием из сигнала,
поступающего
с
датчика
момента,
значений,
рассчитанных
нижеописанными способами, основанными на методах, описанных в [5].
Коррекция, основанная на измерении периода высокочастотного
паразитного сигнала
При данной коррекции каждая составляющая корректируется
независимо. Во-первых, на основании полученной информации
(рисунок 2) по методу наименьших квадратов полученная кривая
аппроксимируется на всём промежутке изменения аргумента полиномом
высокой степени вида
(1)
Для коррекции используется совокупность точек, соответствующая
данному полиному (значениям ) с фиксированным шагом по оси угла.
При значениях угла поворота шарнира, попадающих в диапазон между
некоторыми двумя заданными точками, значение момента определяется
линейной интерполяцией, рассчитываемой как
,
(2)
где , ,
– текущее положение, левая и правая границы диапазона
соответственно;
,
,
– значения коррекции для
перечисленных положений соответственно.
Для компенсации высокочастотной составляющей используются
данные, снятые на одном из периодов. Компенсация проводится по
описанному выше принципу. Рассчитанные для одного периода значения
распространяются по периодическому закону на всю ось угла.
Коррекция, построенная по принципу кусочно-линейной
интерполяции
В этом случае обе составляющие компенсируются одним набором
данных. В этот набор входят все локальные максимумы и минимумы
кривой, представленной на рисунке 2. При значениях угла поворота
шарнира, попадающих в диапазон между некоторыми двумя заданными
точками, значение момента вновь определяется линейной интерполяцией.
Двухуровневая непериодическая коррекция
Данная коррекция сочетает два предыдущих варианта. Сначала из
сигнала, поступающего с датчика, вычитается низкочастотная
составляющая аналогично первому варианту коррекции, а уже в
получившемся сигнале, как в и случае второго варианта, формируется
набор локальных максимумов и минимумов с линейной интерполяцией
участков между ними. Этот вариант иллюстрируется рисунком 4.
Рисунок 4 — Результаты коррекции
На представленном рисунке кривая красного цвета соответствует
исходному сигналу с датчика момента, зелёная – значениям сигнала
коррекции, красная – скомпенсированным значениям сигнала,
поступающего в качестве сигнала обратной связи систему управления.
Таким образом, достигается снижение амплитуды паразитного
аддитивного сигнала в 3 раза по высокочастотной и в 20 раз по
низкочастотной составляющей (амплитуда паразитного сигнала,
оставшаяся после коррекции не превышает 1% от диапазона измерения
датчика).
Заключение
В статье обозначена задача выделения полезного сигнала с датчика
момента путем введения коррекции аддитивной составляющей
паразитного сигнала различными способами. Показано, что применение
коррекции позволяет в несколько раз снизить паразитный сигнал и
повысить точность датчика. Достигнутая точность датчика позволяет
использовать информацию с него в качестве обратной связи для
управления шарниром в силомоментном режиме.
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
http://www.lorenz-messtechnik.de/english/files/publications/
Management_Systems_Calibration_Torque.pdf
http://www.lorenz-messtechnik.de/english/company/
torque_measurement_technology.php
https://measurementsensors.honeywell.com/ProductDocuments/Manuals/18
00%20Operating-Service%20Manual.pdf
И.Ю. Даляев. «Датчик выходного момента шарнира». Экстремальная
робототехника // Сборник докладов Всероссийской научнотехнической конференции. – Санкт-Петербург: Изд-во «Политехникасервис», 2011. – 454с.;
Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и
инженеров. М.: Наука, 1973 – C. 683–694.