Что мы знаем о повороте на определённый угол и его удержании в робототехнических системах?
Думается, что на данный момент, мы все настолько сильно подсели на разнообразные цифровые устройства, алгоритмы и принципы, что нам (наверное, что даже и большинству), зачастую, даже сложно себе представить, что подобная задача может быть решена и кардинально иным способом! :-)
Тем не менее, в истории существовали (и даже в данный момент существуют!) целый класс абсолютно иных аналоговых устройств, который вполне себе успешно справляется с тем же самым вопросом — и называются подобные устройства «сельсины»…
Но, для начала, сделаем небольшое отступление, и ещё раз кратенько вспомним, а как вообще в робототехнических системах обычно решается вопрос поворота на угол (и, опционально, его удержание)?
Одним из наиболее широко применяющихся способов (по крайней мере, в хобби-робототехнике) — является использование так называемых «сервомашинок»:
Устройство это довольно простое, и представляет собой обычный коллекторный двигатель с шестеренчатым редуктором, усиливающим его момент, где на вход управляющей платы устройства подают сигнал, где от ширины импульса ШИМ-сигнала интерфейса управления зависит угол поворота выходного вала, где средством обратной связи является обычный потенциометр (довольно быстро изнашивающийся и начинающий «шуметь», к слову).
То есть, грубо говоря, мы можем сказать, что, при достаточной сноровке, мы могли бы даже самостоятельно реализовать поворот на угол (правда, для этого пришлось бы стать «Самой Быстрой Рукой На Диком Западе» :-D) — импульсно подавая и отключая питание на тот же самый коллекторный двигатель.
Тем не менее, чтобы устранить необходимость ручной работы, в автоматически следящих системах для этого может быть применён тот же самый алгоритм ПИД-регулятора, с помощью импульсного сигнала ШИМ поворачивающего некоторый исполнительный механизм (например, руку робота) на нужный угол, где выставление этого угла происходит за целый ряд итераций, правда за минимальное время, и с минимальной раскачкой «недолёт-перелёт», и с постоянной обратной связью от некоторого датчика…
И, раз уж мы заговорили об этом, — упомянутый выше ручной подход всё-таки применяется: например, в тех же самых танках, тракторах разного рода — то есть, механизмах, где происходит изменение скоростей вращения двух гусениц относительно друг друга — то есть, нельзя сказать, что такой ручной метод плох и однозначно не применим — всё не так уж прямолинейно в этой жизни… ;-)
И, к слову, подобная система (гусеница) — является отличным примером для нашего дальнейшего рассмотрения: как мы знаем, привод в подобных механизмах происходит на одну звезду, где все остальные ролики (катки) и/или звёзды синхронно приводятся в действие, поворачиваясь на тот же угол, что и ведущая звезда — и, в принципе, в этом нет ничего удивительного, — мы ведь просто наблюдаем одну из реализаций цепной передачи…
Глядя на подобные реализации в транспортной технике, а также, например, обращая внимание на заводские и не только конвейеры разного типа, мы можем сделать для себя вывод, что такая механическая передача может быть довольно длинной!
А теперь, предположим, что нам необходимо соединить между собой два устройства, расположенные на расстоянии друг от друга в 2 км, или в 10 км или может быть даже ещё больше?
Как бы вы решали эту задачу в данный момент? «Пфф», скажут многие — «берём компьютер или микроконтроллер…и далее по списку»…
Да, в настоящий момент это так. А теперь усложним задачу: прикинем, что эта задача встала в 1900 году и про цифровые устройства можно смело забыть? ;-)
А ведь именно такая задача и встала перед строителями Панамского канала в 1900 году, когда необходимо было управлять исполнительными устройствами после его постройки — шлюзовыми воротами, клапанами и т.д.!
По некоторым данным, именно тогда произошло исторически первое применение дистанционных синхронизаторов, в дальнейшем получивших название «сельсины» (от английского «self-synchronizing»).
По принципу действия (в некоторой степени и даже внешне) сельсины напоминают электродвигатели, но, на этом сходства заканчиваются: ведь к чему мы привыкли в электродвигателях?
Что это — обратимая машина, которая может выступать и двигателем, и генератором: проще говоря, можно соединить выходные контакты одного электродвигателя с соответствующими контактами другого электродвигателя — и, если мы будем вращать первый электродвигатель, который будет выступать в этом случае в качестве генератора — вырабатываемый им ток будет передаваться на второй электродвигатель, вращая его.
А теперь, предположим, что нам не нужно вырабатывать электричество — оно подаётся извне, а наш «как бы двигатель» содержит обмотки на роторе и на статоре — то есть, напоминает по своему виду электродвигатель, только у которого обмотки ротора через скользящие контакты подключены к источнику питания* — такие сельсины называют «контактными»:
*Не всегда — есть альтернативная конструкция, называемая «бесконтактным сельсином», где связь и ротора и статора осуществляются индукционно — о нём будет ниже.
Как мы видим по картинке выше, система в которой используется сельсин в самом простом варианте (бывают и более сложные о них ниже) представлена двумя устройствами: так называемым «датчиком» — то есть устройством, которое механически и изменяет свой угол (на рисунке — «крутилка» справа), и «приёмником» — устройством, которое повторяет угол, на который повернут вал «датчика».
Теперь, если повернуть вал правого устройства на определённый угол, из-за того что через обмотки ротора этого устройства проходит ток, — в обмотках статора этого же правого устройства начинают наводиться тоже определённые токи — которые, из за наличия связи проводами между статором правого устройства и статором левого устройства — создают такое электромагнитное поле в левом устройстве, которое разворачивает вал левого устройства на тот же угол, что и у правого.
Глядя на всё это, неизбежно возникает мысль — «что-то это всё мне напоминает…» — и это действительно так: подобные устройства, по сути, представляет собой вращающиеся трансформаторы, у которых первичная обмотка вращается относительно вторичной!
В дальнейшем, были разработаны и бесконтактные сельсины — они также содержат две обмотки (как и у показанного на картинке выше контактного) — однофазная обмотка возбуждения и трёхфазная обмотка синхронизации, только теперь, ток в обмотке возбуждения наводится дистанционно, индукционным способом.
Честно говоря, до того, как я сам узнал о сельсинах, нечто подобное, в виде своеобразной неоформленный идеи или «ощущений» — у меня у самого крутилось в голове, в том смысле, что казалось странным, что нечто подобное «ещё не реализовано» — только всё не хватало времени додумать.
Как выясняется — всё прекрасно реализовано уже больше века как, работало и работает…:-)
А теперь, ещё раз обратимся к картинке выше (уж больно она наглядная!): на ней, по сути, изображён индикаторный режим работы сельсина — то есть, на этой картинке мы видим главное: обмотки возбуждения (то есть, обмотки на роторах — именно они возбуждают электрический ток в обмотках статоров) — связаны между собой и запитаны от внешнего источника переменного тока.
Почему этот режим называется индикаторным: такое может применяться для приведения в действие только слабосильных поворотных индикаторов — например, какого-нибудь стрелочного индикатора (т.е. приёмника) в комнате наблюдения, а сам исполнительный механизм (т.е. датчик) — находится, например, установленным на ту же самую задвижку дамбы или шлюза…
Глядя на эту схему, неизбежно возникает и мысль, что неплохо бы таким же способом не просто считывать данные — но и, повернув вот эту маленькую крутилку — заставить повернуться или прийти в движение и некий огромный механизм!
Однако на этом пути нас поджидает явная проблема: дело в том, что вся эта система, которую мы можем видеть на картинке выше, представляет собой устройства, напрямую связанные друг с другом.
Другими словами: чтобы заставить повернуться «чудовищный механизм» в левой части картинки — нам надо будет к устройству в правой части (т.е. к крутилке) приложить такую же «чудовищную» силу, — что явно нерационально и «не хотелось бы»… :-)
Поэтому, был разработан ещё один режим работы сельсина — «трансформаторный»: представим (чтобы не перерисовывать такую красивую картинку :-) ), что на картинке выше, связь между обмотками роторов датчика и приёмника разорвана и от переменного тока запитаны только обмотки ротора правого устройства, а провода от обмоток левого — уходят на специальное устройство (фазовый компаратор), определяющее требуемое направление вращения.
Теперь, если мы повернём «крутилку» — это вызовет соответствующую генерацию электрического тока и на обмотках статора правого устройства — где из-за связи обмоток статора правого устройства и левого — на обмотках левого также возникнет электромагнитное поле из-за протекания тока.
Но в этом случае, у нас ведь у правого устройства обмотки ротора не запитаны! Соответственно, у них не будет своего электромагнитного поля и внешнее возникшее поле никак не оттолкнёт ротор — вместо этого, возникшее поле приведёт к возбуждению на обмотках ротора определённого тока — этот ток подаётся на упомянутый выше фазовый компаратор, который сравнивает фазу изначального питающего тока и вот этого сгенерированного и на выходе выдаёт определенное напряжение (например -5В…5В), где его величина и знак будут зависеть от того, в какую сторону и на сколько повёрнут ротор датчика*.
*Насколько я это понимаю, поворачивая запитанные катушки ротора датчика, относительно катушек статора этого же датчика — мы, по сути, приближаем эти обмотки то к одному выводу обмоток статора, то к другому выводу обмоток статора — от чего и зависит фаза, то есть, грубо говоря, если совсем по-простому — насколько сильно этот сигнал уйдёт в плюс (например 5В) или будет инвертирован и уйдёт в минус (-5В)!
Ну и, напоследок, посмотрим в целом, на возможные схемы подключения сельсинов на картинке ниже:
в индикаторном режиме (вертикальный столбик слева — а, б, в);
в трансформаторном режиме (вертикальный столбик справа — а, б, в);
где: а — парная схема включения, б — параллельная, в — дифференциальная (насколько я это понимаю, тут сложная зависимость приёмника; более подробно не скажу, — надо ещё разбираться; возможно, сможет сказать тот, кто разобрался лучше меня):
P.S. А самые простые случаи двух режимов, которые мы разобрали выше — в индикаторном и трансформаторном варианте, — показаны на картинке выше, под буквами а (в левом и правом столбике, соответственно).
Список использованной литературы:
П.Ю.Грачёв, Э.Г. Чеботков: «Однофазные контактные и бесконтактные сельсины (История развития, конструкции, основы теории, характеристики и экспериментальные исследования)»;
Баканов М.В. и др.: «Информационные микромашины следящих и счётно-решающих систем»;
И.П.Копылов, Б.К.Клоков: «Справочник по электрическим машинам».
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
