Author: Бараночников М.  

Tags: радиотехника  

Year: 2002

Similar

Переключатель елочных гирлянд "Маяк". Паспорт

Краткий справочник. Автомобильные датчики, реле и переключатели

Устройство для намагничивания постоянных магнитов

Принципиальная электрическая схема радиоприемника «Селга-402» (переключатель диапазонов в положении СВ)

Text
                    J
•
'
'
'
Михаил &араночников
r. Москва
E-mail: baranochnikov@mail.ru
1 В радиолюбительской практике часто возникает необходимость
1 использования в своих разработках различного рода пе~еклю­
I чателей и манипуляторов. БольuJинство таких узлов использует
I традиционные контактные группы, реле и переменные резисторы.
Однако, в настоящее время стали доступными для радиолюбите-
1 лей полупроводниковые приборы и интегральные схемы, управ-
1 ляемые магнитным полем. Эти элементы позволяют создавать бес-
1 КG>нтактные управляющие устройства, отличающиеся длительным
1 сроком службы и ~алыми габаритными размерами.
I В данной статье приводятся конструкции нескольких вариан-
1 тов бесконтактных магнитоуправляемых переключателей и мани­
пуляторов, реализация которых возможна в радиолюбительских
1 условиях .
•
/
•
\
Бесконтак1 ные маrнитоуправляемы~
•
переключатели и манипуляторь1
.
В настоящей статье под терми­
ном "манипулятор" мы понимаем
устройство, которое преобразует
движение руки оператора в электри­
ческий аналоговый или цифровой
сигнал.
,
Сфера применения бесконтакт­
ных манипуляторов доСТС;\Точно ши­
рока: вычислительная и бытовая тех­
ника, игрушки, медицинская и воен­
ная аппаратура, системы дистанци-
1
онного управления различными
'
объектами, системы автоматизиро-
ванного управления технологически­
ми процессами и др.
Следует отметить, что бесконтак­
тные магнитоуправляемые манипу­
ляторы имеют очевидные преимуще­
ства перед широко используемыми
в настоящее время оптическими ус-
\. тройствами. Они не требуют энерго­
затратных источников излучения, не
боятся грязи и пыли, работоспособ­
ны в агресс11вных сред~х и т.п.
Принцип действия магнитоуправ­
ляемых манипуляторов широко изве­
стен и сводится к изменению поло­
жения управляющего постоянного
магнита (ПМ) относительно маrнито­
Чувствительного элемента преобра­
зователя магнитного поля (ПМП), что,
в свою очередь, приводит к измене­
нию (или появлению) сигнала на вы­
ходе преобразователя магнитного
поля [1 ].
1. Что удалось приобрести
и исследовать
Из наиболее доступных и практи­
чески пригоднь1х для самостоятельной
\
разработки бесконтактных манипу­
ляторов можно отметить следую­
щие ПМП: дискретные датчики Хол­
ла и магниторезисторы, униполяр­
ные магнитоуправляемые (МУМ) и
магниточувствительные (МЧМС)
интегральные схемы. С принципом
работы этих устройств можно позна­
комиться в соответствующей лите- ·
ратуре [1 ].
В порядке подготовки данной статьи
автором были исследованы следующие
тиnы ПМП:
1. Кремниевые бескорпусные датчи­
ки Холла типа ДХК-05 и ДПМ-1;
2. Арсенид-галлиевые бескорпус~ые
датчики Холла типа ПХИ-611;
3. Кремниевые магниточувствитель­
ные интеrральные схемы типа SS495A
фирмы Honeywell и типа AD22151 фир­
мы Analog Devices;
4. Магнитоуправляемые униполяр­
ные ИС серии К1116 (К1116КП1,
.
К1116КП2, К1116КП3, 1 ·116КП6,
К1116КП9, К1116КП10);
5. Магнитоуправляемые ИС типа
SS443A PBF, SS443A и 2SS52M-T2
фирмы Honeywell;
6. Кремниевые полевые элементы
.
Холла (ПДХ) в J<Орпусе типа 401 .14-3;
7. Кремниевые двухкристальные ПДХ
в корпусе типа 401.14-3;
8. Кремниевые четырехэлементные
ПДХ в корпусе типа 401.14-5;
9. Монолитные магниторез-исторы
типа СМ4-1;
1О~ Тонкопленочные магниторезис­
торнь1е мосты типа KMZ1 Од и KMZ41
фирмы Philips.
1
.
..
Основные параметры указанных пре­
образователей магнитного поля приведе­
ны в соответствующей литературе [2].
В порядке исследования преобразо­
вателей магнитного поля оценивалась
координатная чувствительность аналого­
вых ПМП и расстояние срабатывания/от­
пускания магнитоуправляемых ИС.
Процесс определения координатной
чувствительности ПМП сводился к конт­
ролируемому перемещению "точечного"
источника магнитного поля относитель­
но плоскqсти магниточувствительного
элемента (МЧЭ) с одновременным изме­
рением напряжения сигнала (Uc) преоб­
разователя магнитного поля. Сканирова­
~ие поверхности МУЭ осуществлялось
поочередно по двум осям: "Х" и "У". На­
пряжение сигнала (Uc) измерялось через
каждые О, 1 мм.
В качестве "точечных" источников
магнитного поля использовались два
миниатюрных постоянных магнита (ПМ),
•
размеры которых определялись чисто
прагматическими соображениями. Один,
наиболее доступный и качественный маг-
нит с размерами диаметром 3х3 мм из
сплава "неодим-железо-бор". Величина
индукции порядка 130 мТл. Другой - с
размерами 1х1 х1 О мм из сплава "альни­
ко". Величина индукции порядка 20 мТл . .
.
Типовая координатная характеристи­
ка для аналогового преобразователя
.
магнитного поля имеет вид, напоминаю­
щий "синусоиду". В практических целях
внимание автора фиксировалось на трех
"стандартных" уровнях напряжения сиг­
нала: "О, 1", "0,5" и "0,8". Для реализации
ПМП в составе манипулятора был принят
уровень "0,8".


По результатам оценки координат­
ной чувствительности исследованных
типов ПМП были сделаны следующие
выводы:
1. Область 80°/о-ой чувствительности
приборов при сканировании МЧЭ '1-очеч­
ным" источником магнитного поля зави­
сит от магнитной чувствительности П М П,
геометрических размеров магнита, вели­
чины воздушного зазора и размеров маг­
ниточувствительного элемента.
2 . При площади сечения "точечно­
го" источника МП порядка S =7 мм 2 (ди­
аметр 3 мм) и рабочем зазоре 3 мм -
область 80°/о-ой чувствительности ПМП
НаХОДИТСЯ В пределах ОТ 2,2 ДО 4,6 ММ
и, практически, не зависит от размеров
мчэ.
3. При площади сечения "точечно­
го" исто~ника МП S = 1 мм2 и рабочем
зазоре 1 мм область 80°/о-ой чувствитель­
ности ПМП уменьшается приблизитель­
но в два раза, находится в пределах от
1,2 до 2,9 мм, и зависит от конструкции ·
приборов (размера МЧЭ, наличия фер­
ритовых концентраторов, коваровых
подложек и выводных рамок и т.п.).
4 . Расстояние срабатывания магнИ-
.
тоуправляемых микросхем зависит от
параметров ИС и применяемого управ­
ляющего магнита. При использовании
постоянного магнита диаметром 3х3 мм
с индукцией порядка 130 мТл расстояние
срабатывания находится в пределах от
0, 5 до 5 мм - при перпендикулярном воз­
действии, и от 0,6 до 4,5 мм - при сдви­
говом воздействии. При этом гистерезис
н аходится . в пределах от 0,2 до 1 мм.
5. Наиболее пригодными для даль­
не йших исследований автором были оп­
ределены следующие ПМП: дискретные
эл ементы Холла типа ПХИ-611 , магни­
то уп равл я ем ые ИС типа К1116КП3,
К1 116КП9, SS443A PBF, SS443A, маг­
нит очувствительные микросхемы типа
SS495A и AD22151, магниторезистор­
~ы е мосты KMZ1 О и KMZ41, имеющие
.:tост аточно высокую магнитную чув­
"'Т в ительность и геометрическую разре­
..u аю щую способность, а также 2-х кри­
-т а льные и 4-х элементные полевые
'""'е менты Холла (ПДХ). ·
~lаrн11т
2. Варианты технической ре­
аnизации маrнитоуnравnяе-
"
мых переключатеnеи и ма-
нипуляторов с использова­
нием однозnементных ПМП
Ниже приводятся несколько приме-
ров технической реализации манипу­
ляторов с использованием доступных
ПМП.
В качестве управляющих элемен­
тов в предлагаемых устройствах, как
правило, использованы высококаче­
ственные миниатюрные постоянные
магниты из сплавов "неодим-железо­
бор" и "самарий-кобальт". Выбор типа
магнита определялся исходя из зада­
чи построения конкретного устройства
и возможности приобретения ПМ в ра­
диолюбительских условиях.
Величина индукции постоянного
магнита регламентировалась значени­
ями индукции срабатывания/отпуска­
ния МУМ и магнитной чувствительно­
стью аналоговых ПМП (датчиков Хол­
ла, МЧМС и магниторезисторов).
Следует отметить, что постоянные маг­
ниты из сплав...а "неодим-железо-бор", по­
крытые слоем гальванического никеля, в
процессе эксплуа~ации заметно разруша­
ются с разрушением этого покрытия. По­
этому новый магнит сразу же защищался
слоем эпоксидного лака .
В большинстве макетов использова­
лись импортные комплектующие, в том
числе многооборотные подстроечные и
чип-резисторы.
В целях экономии времени и
средств работа проводилась на маке­
тах предлагаемых устройств. Названия
устройств носят условный характер.
2.1. Бесконтактный переключа­
тель на основе П2К
Конструктивная схема переключа­
теля приведена на рис. 1.
Принцип работы конструктивной
схемы, прив~енной на рис. 1, оче­
виден и не требует особых поясне­
ний. Нажатие на клавишу приводит
к перемещению штока с закреплен­
ным на нем постоянным магнитом от­
носительно магниточувствительной
Рис. 2. Внешний вид нажимного штока с магнитом
2
1
поверхности магнитоуправляемой
ИС. При совпадении осей происходит
срабатывание МУМ.
Указанная конструктивная схема
реализована с использованием эле-
.
ментов кнопочного переключателя типа
П2К, из которого удалены подвижные
контакты.
Постоянный магнит из сплава "нео­
дим-железо-бор" с габаритными разме­
рами 5х5х1 ,4 мм (В= 120 мТл) разме­
щался на пластмассовом нажимном
\
штоке и закреплялся при помощи клея
"Момент". Внешний вид нажимного
штока с магнитом приведен на рис. 2.
Принципиальная электрическая
схема магнитоуправляемого переклю­
чателя на основе П2К приведена на
рис. З.
В схеме (рис. 3) использована маг-:
нитоуправляемая ИС типа К 1116КП9
(DD1) и бескорпусной резистор (А1).
Переключатель срабатывает при пере­
мещении штока с tу1агнитом, т.е. при
нажатии клавиши. Светодиод VD1 (лю­
бого типа) служит для индикации сра­
батывания.
Налаживание устройства сводится
к выбору положения МУМ на корпусе
переключателя и закреплении ИС лю­
бым доступным способом.
Напряжение питания переключате­
ля 5 В, ток потребления не более 1О мА.
Габаритные размеры переключате­
ля 22х58х20 мм (определяются разме­
рами переключателя П2К). Масса не
более 8 г.
I" ~~ Г{J1УЖНf.1а
-:40
---; l\.1аrнн
' ······-· ···· ·---- -
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1
•
..._--
"------~
11 - р~бочнй :tu"Jop
---
L - Jона 11ерс~~с1цения рукоятки с магнитом.
Рис. 1. Конструктивная схема
переключателя на основе П2К
1
00[
2
VDl
Rl
510
3
-----Вь1ход
..._______~ ()б11111й
DDI - 1'-1~гнитоуправлясмая 1нпсгра.11,ная cxc-.ta типа KI 116КП9;
VD 1- свстод•1од любо1·0 тнпа
Рис. З. Принципиальная электрическая
схема переключателя на основе П2К


Вместо микросхемы К1116КП9
могут быть использованы МУМ тип
SS443A PBF фирмы Honeywell, а при
инвертировании сигнала может ис­
пользоваться микросхема типа
SS443A или аналогичные схемы дру-
"
гих производителей [2].
В случае необходимости на корпу­
се переключателя П2К могут быть ус­
тановлены несколько МУМ, а н~ што­
ке - несколько магнитов.
Рис. 4. Внешний вид переключателя на основе П2К
Внешний вид переключателя на
о~нове П2К приведен на рис. 4.
•
-
2.2. Щелевой переключатель­
-манипулятор
Конструктивная схема щелево­
о переключателя-манипулятора
риведена на рис. 5.
Действие данного манипулято­
а (рис. 5) основано на использо­
ании принципа работы так назы­
аемого щелевого или лопастного
агнитного датчика, представляю-
его единую конструкцию, содер­
ащую постоянный магнит и пре­
бразователь магнитного поля,
асположенные на определенном
асстоянии напротив друг друга.
равляющим элементом датчика
-
ляется шторка-за~ыкатель маг-
-
тного потока, приводимая в дви-
ение, в данном случае, рукой оnе­
тора.
Принцип действия щелевого маг­
-
тного датчика достаточно прост.
ли в рабочий зазор датчика ввести
астину из ферромагнитного матери­
а (шторку), то линии поля прервут­
-
и величина индукции в зазоре из-
-
ится, что вызовет определенную
-
кцию ПМП. В качестве ПМП могут
ользоваться элементы Холла, маг­
орезисторы, магнитотранзисторы,
и мчмс.
Форма и конструкция шторки-замы­
ля может быть, в зависимости от на-
-
ения датчика, самой разнообразн ....
р 11."0JITKa
IJ.!YJJ.1
h
L
~-·---".
~-
.....
.'
\.
•...... ~.. "...
.•
"
r ··.
:
~
:
:
•
•
•
•
.
.
.
.
•
•
•
•
"
~:
:
.
.
.
.
.
.
.
•
•
:.. ••• ··\
:···11:··:
•
•
•
•
.
.
.
.
•
•
.
.
\;"': ~о: .:.: :
:.\"·
:
~<:
.
..
.
.
..
.
.
..
.
.
..
.
....
..
..
."
."
~.
.:
.
:. :':.
..
..
..
..
L - зона переJ1.tеще1шя рукоЯТЮ1 с мал-111том.
5. Конструктивная схема щелевого
переключателя-манипулятора
1
и определяется как параметрами само­
го датчика, так и условиями его при­
менения. На рис. 6 приведены возмож-
....
ные варианты шторок-замыкателеи и
формы выходного сигнала [1, 2].
В качестве преобразователей
магнитного поля для данного вари­
ант а конструкции используются
магнитоуправляемые (для получе­
ния цифрового сигнала) или магни­
точувствительные ИС (для получе­
ния аналогового сигнала).
Вариант конструкции щелевого
датчика был реализован с исполь­
зованием магнитной системы, со­
стоящей из магнитопровода, МУМ
и миниатюрного постоянного маг­
нита.
Внешний вид и габаритные раз­
меры магнитной системы щелево­
го датчика приведены на рис. 7.
Магнитная система датчика при
помощи..двух винтов М1 ,2 закреп­
ляется на печатной nлате. На этой
же плате размещаются светодиод
(VD1 ), бескорпусной резистор R1 и
3-х контактный разъем типа PLS.
В датчике используется магнит
из сплава "неодим-железо-бор" ди­
аметром 3 мм, В =120 мТл. Магнит
закрепляется на магнитопроводе
при помощи латунной шайбы толщи­
ной 3,2 мм и двух винтов М1 ,2 мм.
МУМ крепится на магнитопрово­
де при помощи скобы из латуни тол­
щиной 0,3 мм и двух винтов М1, ,2.
В качестве шторки-замыкателя
может использоваться стальная
пластина толщиной 0,5 ... 1 мм. Ши­
рина окна или зубцов выбираются
исходя из конкретных условий при­
менения устройства.
В датчике использована магни­
тоуправляемая ИС типа SS495A
PBF фирмы Honeywell. При необхо­
димости инвертировании сигнала
может использоваться микросхема
типа SS443A или аналогичные мик­
росхемы других производителей.
ва'АБ ··--·--
AHaiIOl'OBЫЙ
сиrnал
1
.
1
~-с-·
1
1
1
.J)
1,-
.
---~·-· ..
L{ентр
1
.
1
.
Цифровой
.
1
снmал
1.
1
1
L(t)
0'---------+
1m.:."
~,
а)
б)
'В)
г)
Рис. 6. Кон9трукция простейших шторок-замыкателей, используемых
в щелевых магнитных датчиках:
а - сектор с окном, б - "гребенка"; в - колесо-обтюратор; г - форма выходного
сигнала
•
С>.....
9
1
1
.
11
12
-
-
-
7-
-
. ...! ....
i
h - рабО"
!
'
'
1
4
1
!
'
,
, ..........1"···.... ··~
:
1
:
.
.
!
i
М1,2
Рис. 7. Магнитная система щелевого датчика
3
1иn зазор
•


,----- ---- -
-- --
--- -
-1
1
~s
1
rпторка­
замыкаrелъ
1
1
1
N
1
<L)
---
L---
1
---
---·
в
1
DDI
2
3
+U11 (3,8 - 30 В)
1
~,
1
1
1
1
....-----__._..Выход
--------~.1 -+Обшнй
-------------------~
DDI - ~1а1·нитоуправлясмая инте11Jальна.ч схема ти11а SS443A PBF фирмы Honcywell;
VD l - СRетодиод любnго типа
Рис. 8. Принципиальная электрическая схема
щелевого переключателя-манипулятора
•
Рис. 9. Внешний вид щелевого переключателя-манипулятора
При уменьшении рабочего зазора
до 2 мм мо ет использоваться
МУМ типа К1116КП9 [2].
Принципиальная электрическая
схема щелевого магнитоуправляе­
мого переключателя-манипулятора
приведена на рис. 8, внешний вид
-
на рис. 9.
Напряжение питания щелевого
пере ключ ателя-ман и пулятора
3,8... 30 В, ток потребления не бо­
лее 10 мА.
Габаритные размеры датчика
12х2Зх1 З мм. Рабочий зазор 4 мм.
Масса не более 4 г.
2.З. Движковый 8-ми уровневый
манипулятор
Конструктивная схема движко­
вого манипулятора приведена на
рис. 10.
Схема (рис. 1О) также не требу­
ет особых пояснений. Магнит, зак­
репленный на рукоятке, перемеща­
ется относительно 8-ми магнитоуп­
равляемых ИС, расположеннь1х в
один ряд. При совпадении центра
ПМ с центром магниточувствитель­
ного элемента одной из МУМ про­
исходит ее срабатывание (переход
из состояния логического "О" к ло­
гической "1 ").
Конструкция манипулятора до­
статочно проста и реализована из
L
•
элементов движкового переменно­
го резистора типа СП5-2За. Лиш­
ние детали - контактные группы и
резистивная часть - изымаются.
Используются только направляю­
щая планка, ползунок и корпус ре­
зистора. В конструкции манипуля­
тора использован магнит, изготов­
ленный из сплава "самарий-ко­
бальт". Габаритные размеры маг­
нита: диаметр 4 мм, длина 3 мм.
Величина индукции магнита со­
ставляет порядка 250 мТл. Посто­
янный магнит устанавливается не­
посредственно на ползунке пере­
менного резистора.
Внешний вид ползунка с магни­
том приведен на рис. 11.
Все детали манипулятора рас­
полагаются на отдельной печатной
плате. На плате закрепляются: на­
правляющая планка, магнитоуп­
равляемые ИС типа К1116КПЗ,
бескорпусные резисторы (R1 ... R8)
и светодиоды (VD1 ... VD8}, а также
два разъема типа PLS. Шаг распо­
ложения микросхем - 1О мм.
Внешний вид манипулятора при­
веден на рис. 12, принципиальная
электрическая схема - на рис. 1З.
Схема (рис. 1З) не требует осо­
бых пояснений. Перемещение руко­
ятки приводит к изменению напря­
женности магнитного поля в магни­
точувствител ьной зоне одной из
МУМ. При превышении уровня маг­
нитного поля В > Всраб на выходе
ИС (001 ... 008) вырабатывается
сигнал стандартного логического
.
....
Аналоговый сигнал
-..
...
(---~)
......,
·-··
1iЩ
r·-·
·-. .. ..
..
'·---··
tt::
~--.l
-
-
-
....
1."
,.
>.
,'
,"
.'
.'
Для получения аналогового сиг­
нала могут использоваться магни­
точувствительные ИС, например,
типа SS495A и А022151 в типовом
включении [2]. При этом форма вы­
ходного сигнала будет определять­
ся формой и размерами окна што­
рок-замыкателей.
Нссу1ц,ая
псчаmая
Преобразователь
магнитного поля
~вь /
~•'',
::с •
'
'
.
:::;:
,
'
,
.
.
'
'
'
.'
.
'
.
'
,
'
L
,'
\,
'L
'
.
>
...
.-··"~
'
Рис. 11. Внешний вид ползунка
с магнитом
3
МЧЭl
1
-
L - зона перемещения рукоятки с магнито.м.
11 - рабочий зазор.
о,
'
~
Расстоя1111е, L
~j•
Цифровой (~ИГН(tЛ
Рис. 10. Конструктивная схема движкового манипулятора
а)
L,t
-
-
•
Рис. 12. Внешний вид движкового магнитоуправляемого манипулятора:
а - вид со стороны направляющей и МУМ; б
-
вид в сборе
-
-
,-
б)
4


'ровня "1 ". Состояние микросхем
егистрируется светодиодами
(VD1 ... VD8).
Зона срабатывания микросхем
{111 бКПЗ находится в радиусе З
11м от центра мчэ.
Напряжение питания манипуля­
ора 6 ... 16 В. Ток потребления не
алее 80 мА (если все светодиоды
зключены).
Габаритные размеры манипуля­
ора 35х90х20 мм. Масса не более
30 г.
Данный вариант манипулятора
редназначен для работы в цифро­
ом режиме.
Для работы в аналоговом режи­
е 111огут использоваться магнито­
увствител ь ные ИС, например,
-ипа SS495A или AD22151 в типа-
-ом включении или аналогичные
чмс [2].
З.Вариантыманиnупяторов
с исnоnьзованием
ноrоэпементных ПМП
При выполнении более сложных
адач по управлению приборами и
орудованием наиболее целесо­
-б разным является использование
.н . многокоординатных манипуля­
Jров. Такие устройства имеют не­
"олько степеней свободы·и пред­
авляют более широкие возмож­
сти по сравнению с простейши-
.
манипуляторами.
В основе конструкций таких ма-
-
пуляторов лежат многоэлемент­
~1е преобразователи магнитного
)ЛЯ. Число магниточувствитель­
~1х элементов у таких устройств
:>ставляет два и более, их распо-
жение может быть самым разно­
разн ым: регулярные и нерегу­
рные линейки, окружности, мат­
цыидр.
Функциональная схема мани­
г лятора с использованием мно-
1 элементного ПМП приведена на
" с.14.
Основным элементом манипу­
тора является многоэлемент-
1й преобразователь магнитного
1 ля (МПМП), с числом элементов
-а и более. В качестве управля­
щего элемента используется по­
оянн ый магнит, закрепленный
шарнире или шаровой опоре,
L
DDI
DDl
DD3
004
DD5
DD6
DD7
008
Xt
.,
1
Общпй
1"
-
Vdl ~
~
Rl1
-
',
2
"
12.1
,
VD2~c
R2
1.
·-
',
3
1"
~
'
23
12
-
,
-1'
~
-61
VDЗ
V04
VD:\
RЗ 11
R41
1 R51
j~
j-
~-
',
'.
~,
5
4
(t
вы~\)Д.Ы: 1 ~ 8
"
'
2.\
J"
.)
-
.,,
~
\'06 ? VD7
R7
R6
·-
....._
•
'
~(
7
8
3
'
""L
VD8~ с
R8
j~
',
9
_
;
Х:! ...
11=
~
~,
10
-ttJu(6-16B)
1 О6шиi1
2 -tU1,(6- 16В)
11D1 ... DDR
- мапt1JТО)'"flравляем1.rе
ИС типа K11 l()lCП3;
VD 1... VD~ - СIК.'Т0'1ИО;IЫ TllJШ ЛЛ307;
R1... R8 - бectWprJYCныe ре-.iи~тl'>ры 0.5 ... 1 кОм
Рис. 1З. Принципиальная электрическая схема движкового манипулятора
что позволяет перемещать ПМ в
одной или нескольких плоскостях.
Схема содержит усилители сиг­
нала, логические элементы и эле­
менты индикации (например, све­
тодиоды). Для работы с внешними
цепями в схеме манипулятора пре­
дусмотрены аналоговые и цифро­
вые выходы.
Схема (рис. 14) работает следу­
ющим образом. Перемещение опе­
ратором рукоятки манипулятора
приводит к изменению положения
постоянного магнита относительно
магниточувствительного элемента
одного или нескольких преобразо­
вателей магнитного поля. Это вы­
зывает изменение напряженности
магнитного поля и появление (или
изменение) сигнала на выходе
ПМП и, соответственно, приводит
к разбалансу подключенного к
ПМП дифференциального усилите­
ля (ДУ) и к появлению на выходе
ДУ напряжения аналогового сигна­
ла, пропорционального расстоя­
нию, пройденному рукояткой мани­
пулятора.
Подключенный к выходу ДУ ло­
гический элемент (ЛЭ), с подклю­
ченным к нему светодиодом VD,
выполняют роль компаратора на­
пряжения. При превышении опре­
деленного уровня сигнала на од­
ном (или нескольких) МЧЭ сигнал
на выходе логического элемента
переключается с "О" на "1 ", что ин­
дексируется зажиганием одного
(или несколько) светодиодов, под­
ключенных к выходу ЛЭ.
Ниже приводятся описания не­
скольких вариантов манипулято­
ров с использованием "многоэле­
ментных" преобразователей маг­
нитного поля.
3.1. Манипулятор с 2-х элемент­
ным преобразователем магнитно­
го поля
Конструктивная схема манипу­
лятора с 2-х элементным преобра­
зователем магнитного поля приве­
дена на рис. 15.
Конструктивная схема манипу­
лятора с 2-х элементным преобра­
зователем магнитного поля, приве­
денная на рис. 15, не требует осо­
бых пояснений.
Манипулятор состоит из двух уз­
лов: платы преобразователей магнит­
ного поля (ПП) и платы электроники
(ПЭ). На плате преобразователей
_ ___
.,______
_,.________
-t) +Uп(5 - 15) В
Меха1111зl\1 11ере'\1е1цення
r.1ar1111тa
Jlorлкa
Усилитель
11
3 { Цифровые
----~~ RЫXOДhJ
-----
(·ветодиоды
•
~1П~1П
r-~-,---1__..,..~:,-дУ;,-_:-----"~\:э;11.......1---....+-к-
----
~1
1
1
.
1
1
VD1
1
:
:
1
1
...--~ Общий
Г'711 ~: IДYn1: : 1л~11~1t---'4н:::. ......_ .
~·11
1
1
Bn1
t
1
VDn
--
--·
1----J
---1-- ...
1
~ { ..\налоговые
---+---,1 ~
RhIXOДhl
"------------+--~
L----._----------+---~ -Un(5 - 15) IJ
Рис. 14. Функциональная схема манипулятора
с использованием многоэлементного ПМП
5


размещены: 2-х элементный пре­
образователь магнитного поля, ру­
коятка-шарнир с закрепленным на
ней постоянным магнитом и кор­
пус-экран. Для соединения с пла­
той электроники ПП снабжены 8-ми
контактным разъемом типа PLS.
В процессе исследований на
плате ПП устанавливались два
бескорпусных датчика Холла типа
ПХИ-611 или 2-х кристальный ПДХ
в планарном корпусе типа 401.14-3.
L
~ PY..~Q-~I.K~
Ма1-,1ит
1
П.:аата 11реобразова·1едей 1\-111 (ПП)
Платы снабжены 8-ми контактны­
ми разъемами типа PLS. Габарит­
ные размеры плат преобразовате­
лей 46х4З мм.
Внешний вид плат преобразова­
телей с различными ПМП приведен
на рис. 16.
На плате преобразователей
магнитного поля устанавливается
механизм перемещения ПМ. В ·кон­
струкции манипулятора использо­
ван магнит из сплава "альнико" с
1 :g=
fL"Iaтa электро11и1'11 (ПЭ)
Рис. 15. Конструктивная схема манипулятора
с 2-х элементным преобразователем магнитного поля
а)
б)
Рис. 16. Внешний вид плат преобразователей с различными ПМП:
а~ плата с датчиками Холла типа ПХИ-611, расстояние между центрами МЧЭ - 4 мм;
б - плата с 2-х элементным ПДХ в планарном корпусе, расстояние между центрами
МЧЭ-2,5 мм
•
Рабочий ход± 0,5 l\fM
Рабочий ход ± 3 Ml\t
f\-13.ПIИТ
корпус-экран
габаритными размерами 1х1х10 мм,
с индукцией порядка 20 мТл. Рабо­
чий зазор 0,5 ... 1 мм.
Шарнирная пара манипулятора
изготовлена из деталей стандарт­
ного переключателя (типа "Тумб­
лер"). В качестве несущего корпу­
са использован стальной корпус от
реле типа ка 402-1 польского про­
изводства, который выполняет и
роль магнитного экрана.
Элементы конструкции манипу­
лятора с 2-х элементным преобра­
зователем магнитного поля пока­
заны на рис. 17, внешний вид пла­
ты преобразователей манипулято­
ра приведен на рис. 18.
•
На плате электроники располо-
жены элементы, необходимые для
усиления и обработки сигнала пре­
образователей магнитного поля.
ПЗ снабжена двумя 8-ми контакт­
ными разъемами (типа BLS и PLS),
необходимыми для присоединения
к плате преобразователей, и со­
единения устройства с внешними
цепями.
Принципиальная электрическая
схема манипулятора с 2-х элемен­
тным преобразователем магнитно­
го поля приведена на рис. 19.
В качестве основного элемента
в схеме, приведенной на рис.19, ис-
,
пользована ИС 4-х канального опе-
рационного усилителя типа LМЗ24
фирмы "National Semicondactor".
Одна половина усилителя
(DA1.1 и DA1.2) работает в каче­
стве усилителя сигнала ПМП, дру­
гая (DA1.3 и DA 1.4) - выполняет
роль компаратора. Светодиоды
VD1 и VD2 являются индикаторами
состояния компаратора. В схеме
Рис. 18. Внешний вид платы
Рис. 17. Элементы конструкции манипулятора
преобразователей манипулятора
с 2-х элементным преобразователем магнитного поля
с 2-х элементным ПМП
------
--- ---- ---
----~
6


Xl
-
---..,
1
llI
1
7
1
1
1
6
1"~
5
1
1
В2
4
1
•
~
1
,
-
1
L.- ---~
1
r-- -----,
8
.._.
___
_
;1а1· ы 11рсобразоватс:1сй МП
г-------------------------------------~----1
1
+5В
1
1
1
)
1
J)Л2 3
1
"':. -
CJ
1
RIЗ
I 10.0
1
VDl
lk
R
_ L:!
1
1
s
1
"
1
R5• 0.1
- 3.0
'J
-5в~
"
\'D5 ......~
-d.сз
1
:<}--
-
С2 --
1
•
(' /}
DA3
1
10.or+
4т10.0
~4
VD2
......
-
1
1
"\
R7
9
1
. ,;.
-
3J_
1
Itl
1Xl
1
RI1
8
L...J'
~
DAl.1
DAJ.3
.
1
1
r
-5в
1
R2f
1
110
1
-
.
•
1
3
-
1
~
R8
1
1
,.
1
--
VD3
1
--
1
-5в
1
Rl4
1
1
']
1
R6• 0.1
· 3,0
lk
1
:<1-
1
....~
•
"
-
1
VD4
\:06 (\/)
1
R9
1
f,
13
.....
-
1
-
-
-
1
RJ
1
1
Rl2
14
L.J
"1-..а.
J),\J .2
D.L\ 1.4
11
-5в
1
R4 l'
1
l
12
,
1
..-
1
5
-
-~1
~
1
R10
1
R4. R4
-2 20k
1 R~.R1О-11Ok
1
--
J_
-
...
-
...
1 R7,R9,Rl1,Rl- JOk
1
1
п.r~ата JЛектроu11ки I
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
._.....
-
-
---
-
.- -. .... ....
.._. ...... -- --- -
-
--- ...., ._,
......_
-
._... -
....,._, -
-....... ...... -
--- -
-
- .......... -
-
В l, В2 - датt1ик Холла типа ПХИ-611;
D3 - двухкрисrаШlъныii полевой датч11к Холла:
DЛ 1 - оп~рационныii усилитель типа LM324 <lJирмь1 "National Scmicon(luctor";
DAI - микросхема инвертора типа ICM7660;
D.t\2 - f\fИкpocxe:-.ta стабилизатора типа 78Ln5;
VD 1, VDЗ - стабилитроны типа КС J56:-\;
\:Dz. VD4 - днодь1 типа КД52":
VD5, VD6 - сне1одиоды типа /\11~07:
R2, R4, R8, R 1О - \.11-1огоборотнь1с подстросч111~1с рс ·Jисторы.
.
8-
-
7-
-
6•
.
5•
~
4-
-
з-
2-
.
1-
+(9- 12 В)
Выхо;t 1
(апалоrовыii)
Выход2
(цифровой)
Выход 3
(Зti:i;l(JJ'OИblЙ)
Выход 4
(цифrювоii)
Общий
Рис. 19. Принципиальная электрическая схема манипулятора с 2-х элементным преобразователем магнитного поля
п рьдусмотрено по два выхода от
каждого канала: аналоговые (вы­
ход 1 и выход З) и цифровые {вы­
ход 2 и выход 4).
Микросхема DA2 служит стаби­
л изатором напряжения, а DАЗ
(ICM7660) - является инвертором
и выполняет роль источника пита­
н ия отрицательной полярности.
В мf"сто микросхемы ICM7660 мож­
н о использовать ICL7660.
Многооборотные подстроечные
резисторы R2 и R4 служат для пер­
в оначальной балансировки схемы
п о постоянному току. В среднем
п оложении рукоятки манипулятора
н апряжение сигнала на выходе ус­
тройства должно быть близким к
н улю.
Крутизна преобразования опре­
д еляется параметрами использо­
в анных ПМП и коэффициентом
ус иления микросхемы DA 1 (DA1.1
DA 1.2). Резисторы R5 и R6 ис­
п ользуются для регулировки коэф­
ф ициента усиления микросхемы
О д 1 и установки необходимого
у ровня аналогового сигнала на
в ыходе устройства.
Уровень компарирования сигна­
ла устанавливается при помощи
Рис. 20. Внешний вид манипулятора
с 2-х элементным преобразователем магнитного поля
многооборотных подстроечных ре­
зисторов R8 и R1 О.
Максимальные габаритные раз­
меры платы электроники (ПЭ)
32х80х15 мм. Мас;са не более 17 г.
Напряжение питания 9 ... 128,
ток потребления не более 20 мА.
Рабочий ход рукоятки манипу­
лятора составляет ±3 мм относи­
тельно среднего (нулевого) поло­
жения. Ориентировочная позици­
онная чувствительность манипуля­
тора составляет порядка 0,3 мм.
Внешний вид манипулятора с
платой электроники приведен на
рис. 20.
7
Если для работы достаточно
только цифрового сигнала, то при
использовании датчиков Холла
типа ПХИ-611 схему можно суще­
ственно упростить, заменив микро­
схему 001 на ИС сдвоенного ком­
паратора типа LМЗ93 фирмы
"National Semicondactor".


3.2. Микроманипулятор с 4-х эле­
ментным преобразователем магнит­
ного поля
ограничивающий ток питания моста.
Габаритные размеры платы 46х43 мм.
В предлагаемом варианrе микрома­
нипулятора в качестве преобразовате­
ля магнитного поля использован мост
типа KMZ1 Од (фирмы Philips), представ­
ляющий собой 4 тонкопленочных маг­
ниторезистора, включенных в схему
моста.
Принципиальная электрическая
схема и внешний вид платы преобра­
зователей микроманипулятора приве­
дены на рис. 22.
Принципиальная электрическая
схема микроманипулятора приведена
на рис. 23.
Координатная характеристика мо­
ста KMZ1 ОА приведена на рис. 21.
Схема (рис. 23) не требует особых
пояснений.
Из координатной характеристики
(рис. 21) следует, что последняя прохо­
дит через "О" и достаточно линейна в
пределах ±0,5 мм.
Микроманипулятор реализован в
конструкции, приведенной на рис. 15,
рис. 17-18. Однако механизм переме­
щения магнита изготовлен с использо­
ванием деталей от микротумблера. В
конструкции микроманипулятора ис­
пользован магнит из сплава "альнико"
с габаритными размерами 1х1 х1 О мм,
с индукцией порядка В = 20 мТл. Рабо­
чий зазор - 0,5 ... 1 мм.
В качестве усилителя сигнала мос­
та (81) использована интегральная схе­
ма инструментального усилителя типа
АМРО4 фирмы Analog Devices (DA 1).
Резистор RЗ используется для регули­
ровки коэффициента усиления микро­
схемы DA1 и установки необходимого
уровня аналогового сигнала на выходе
устройства.
.
Микросхема DA2 служит для балан­
сировки усилителя DA1, а уровень "О"
устанавливается при помощи перемен­
ного резистора R5.
Микроманипулятор состоит из двух
узлов: платы преобразователя магнит-
.
наго поля (ПП) и платы электроники
(ПЭ). На плате преобразователей раз­
мещается мост KMZ1 Од. В случае не­
обходимости на этой же плате может
быrь установлен переменный резистор,
Микросхема компаратора LM393
(DАЗ) выполняет роль порогового уст­
ройства. Уровень компарирования ус­
танавливается подстроечными резис­
торами R7, RB. Светодиоды VD1 и VD2
являются индикаторами состояния ком­
паратора.
Микросхема DAS служит стабили­
затором напряжения, DA4 (ICM7660) -
1
-
--
'
:
:
:
:
.
(}[:h ··у··
.
•.-
;
:
:
i
:
.
.
1
А.
20:
;::
п~!:--
.
.
·- -" , :=-=:;.- :: :.: .:: -: -. """_":.. -"- .""· . -:••7:::.~
i-.--- -
.
··-------+"-.:.10!
i
: ~=.
i
i
~ .,,,, :
:iП~I
.:Г:-~- ·-
.. : ·-~..
-
() "'Х~~ ~.; :
!!
1 i1·-~·:
:
1
·::.-:::;:.:::::::.::::::::::::::::;
СЬ~
А
~
11
:
;;
--·
.J
•
;
if
\.:.. :: ..."
. .. . . ".........
- , __ ,.... ".""_""" ..""" .. """"".:
;,
:
.
т
•.................. ..
~
•
:
.
.
'-
:
:
1,
:
:
:
:
.
.
.
.
""
..
.
r···············' ···············!···············-t1' ············+·············· ............. .. 1о +-··········-·
··-······-" ·············
".
···+ ".... "...i ....... "..... +"..... ".... .
:
:
:
,,;'..
.
:
.
.
'
.
.
.
.
.
.
.
.
~
.
.
.
i
:
i'
:
;
:
1
:
:
•
:
.
:
~
~
:
1
:_
1~
~
i
1 -0,.:> l -0,3
!
1~ Ml\I .
:
:
:
;
:
!
;
:
~·
!"
•·--··r
-·+---
···-··
····-····-
......... -"" --··---.-+---.-·t···•·····-·-:-·····-- ~
1. -l '~.",
1
о,1
0,3
0~5 1
. .1,tт11
J
j..
1
.
t
i
1
.
.
.
.
.
.
1
:
i
:
:
1
:
1:
;
.............
...................... ".......:...............:....."....,
1"......"..."1".."" ···-·t···--···".". : .
..... ~L.." ...... " ... "."... .."".".""~ -1 t) ......."......
пм
~-"
11()·-:1 "v·~ ! 1/ / :
J. <-····-
····-) -
[
\..:) 1
.
'
.
"'
.
~
:
1
-1
r~=::::::;::::::::~)..-"'... ···········--·····-·····1
~
;/
.
==----· _
__.
'1
:
А'.:
.,
-~-~ ~~::"."... --·· -··--"""")
.
•
)•" .••(+·
1
~41"~
1
•v•;
! ~::..~~:::::::::::::::::: ::::J
'""'_
._.,,,,.._ _.....,._ -::J+--·-·.:::::.7.-
-20
.
!~: -···...._._______ ::')
11""1
1
,
!~i;;,r;-.:-1 х 1х 10 м
.. "".".."""":~~:~·, ·-....-·-·-···"·----
1
1__ J
___ 1~:~~~~:~~;~ - ---~ - ~~~,_~~~=т-~-~с1=-----с=J
а)
является инвертором и выполняет роль
источника питания отрицательной по­
лярности.
В схеме (рис. 23) предусмотрены:
аналоговый выход (выв. 2) и два циф­
ровых (выв. 6 "-Х" и выв. 7 "+Х").
Питание схемы может осуществ­
ляться как от биполярного источника со
стабильным напряжением ±5 В, так и
от униполярного источника с напряже­
нием 6... 12 В. Выбор источников пита­
ния осуществляется при помощи пере­
ключателя Sw1 .
ПЭ снабжена двумя 8-ми контакт­
ными разъемами (типа BLS и PLS), не­
обходимыми для присоединения к пла­
те преобразователя, и соединения уст-
ройства с внешними цепями.
Максимальные габаритные раз­
меры платы электроники (ПЭ) -
21х100х15 мм. Масса, не более 18 г.
Напряжение питания - 6 ... 12 В, ток
потребления, не более 30 мА (при вклю­
ченных светодиодах VD1, VD2).
Рабочий ход рукоятки манипулято­
ра составляет ±0,5 мм относительно
среднего (нулевого) положения. Ориен­
тировочная позиционная чувствитель­
ность манипулятора составляет поряд­
ка 0,01 мм.
Внешний вид пл ты электроники
микроманипулятора приведен на
рис. 24.
Kl\'1Z10Л
1•···· ····~
.
·-·'····
XJ
. --------
•
.
.
1
+U,1 14
··-·--·-·-
8
1
1
1
1
7
1
-Uк..ix
6
1
13
1
5
1
1
4
• 1")
1
а ...
1
\Р1
3
01
1
2
1
u1
~ Ш.IХ1
L---
...
-
... .. ..
"
1
б)
Рис. 21. Координатная характеристика моста
KMZ10A
Рис. 22. Внешний вид (а) и принципиальная электрическая схема
(б) платы преобразователей микроманипулятора
8


~---------------------------------1
1
"'8L05
1
плата
11реобра·.1оватr~п1 i\.111
-----------,
+ll:.м~ 1 1a...--_....-э-
L___________I
K:\IZIOA
1
'Усил~нис
l
RЗ ~·
47k ~~
"4
••
..
••
•
·"~
..~
••
••
•
+__ CI
I IU0.0
\ ·01 ~:.-:,..
1"'•
"•''
С"" _..,,
~-:";.. \'D2
1•,1
·С'~[·".
31
-
6
")
>---+-~~~--4-4---е-~-
5
..
7
ОА3
L1'1393
RJO
3k
6 '-----......- ---'
4
2~7
--
6
8
Sw 1.1
5....
3
r>Л2
S\\," J.2
J1
1
-
1
0:\5
..L ")
-
-
11
8
1
"'-
DA4
"
сз
--
--
1С~17660
1о.о
4
""
.)
--
3
1
1
1
1
1
1
1
1
1Х2 .
I s: +tJ(6-12B)
7 , Выход нифровой +Х
...._...___
!-++-~· Выход н11фровой-Х
(1,
1
1.
1
'
1
•
1
1
1
--
L
5,
..
.i,
.
"
3.
'),
L
,
1
+\) (5 J~)
-U(5В)
Ныход ана..ттоrпвы11
Об111нii
1
1
1
1
1
1
R4•v4
3k
1
-
11
1
R5
47k
,---.,.,_...._ _____.
1
•
R7
~R~
l!Uk ~
l l()k
..I:
Ус 1а1ювка11rе:1~;юн ~w!l.шариrоюнш•
_._
('2
1100.0
1
1
1
1
11:1ата э.;н~ктро1111к11
1
1----------------------~----------~
Рис.23. Принципиальная
электрическая схема
микроманипулятора
В 1 - f\tагниторе'3rtсторный мост типа Кi\1Z l О.1\ фирl\tЫ ··rhilips";
l),\ 1 - МJll(JJocxcf\.1a ю1стру~1снтаr~ы1оrо усилителя типа .t\tv1P04;
1>,\2 - операционный усилитель типа 574УД11\;
Dt'\3 - ~111кросхема компаратора типа Lf\.,1393 !рирмы '•Natjonal Sc111icondнctor'•;
DA4 - ~111кросхсм:.~ ннnертора типа ICM7660 фирмы '·Nationзl Scn1icondнctor'';
l>A5 - МИКГОt:ХС\\fа CT'1UИJHIЗa1\Jpa тппа 7RL05;
\l'D 1... \TD4 - микромt>1цные светодиоды.
Внешний вид "универсальной" кон­
струкции двухосевого манипулятора
приведен на рис. 26.
Р с. . Внешний вид платы электроники микроманипулятора
''Универсальная" конструкция мани­
пулятора очевидна из рис. 26 и прак­
тически не требует особых пояснений.
На алюминиевом основании закрепле­
ны четыре 6-ти угольные стойки с резь­
бой и плата с преобразователями маг­
нитного поля. На верхних концах стой­
ки закреплена верхняя панель с разме­
щенными на ней шаровой опорой, што­
ком, магнитом и рукояткой. Длина
штока манипулятора регулируется.
маи n
Наиболь
представляю
севые манипул.;
перемещении рук
но перпендикуля
ческий интерес
азываемые двухо­
еагирующие на
в двух взаим­
аправлениях,
что осуществляется с спользованием
v
шаровои опоры в механ 1зме переме-
щения управляющего магнита относи­
тельно магниточувствительной повер­
хности ПМП.
Для моделирования подобных ма­
ни пул ят о ров была использована
~tаrият
штоt:
о;
.
.
"универсальная" конструкция, позволя­
ющая использовать различные типы
преобразователей магнитного поля.
Некоторые элементы "универсальной"
конструкции механизма перемещения
магнита двухосевого манипулятора
приведены на рис. 25.
Шарнир механизма перемещения
манипулятора изготовлен из стально­
го шарика диаметром 10... 12 мм. Ша­
рик предварительно отпускают, нагрев
его до желтого каления. После чего в
•
нем сверлят отверстие и нарезают резь-
бу М4 или М5.
~ .•.
фик~пр)'ЮЩАЯ
шайба
рукоятЮt
~fii<~~w,·
-,
-
--
,_ ..,_
-
- ---
-
--
--
-
~-
ша о аяопора
Рис. 25. J1екоторые элементы "универсальной" конструкции
механизма перемещения магнита двухосевого манипулятора
--9
Конструкция манипулятора позво­
ляет свободно перемешать магнит в
рукоятка
основание
Рис. 26. Внешний вид
"универсальной" конструкции
двухосевого манипулятора
-----------~- ~.


плоскости МЧЭ ПМП по осям "Х" и "У''.
Расстояние от магнита до магниточув­
ствительного элемента устанавливает­
ся в пределах 3... 1О мм, в зависимости
от типа используемь1х ПМП.
В конструкции манипулятора ис­
пользован магнит, изготовленный из
сплава "самарий-кобальт''. Габаритные
размеры магнита: диаметр 4 мм, дли­
на 4 мм. Величина индукции магнита
составляет примерно 250 мТл.
На основании манипулятора могут
устанавливаться платы с различными
типами преобразователей магнитного
поля. К внешним электронным цепям
ПП подключаются при помощи 12-ти
контактного разъема типа PLS, уста­
навливаемого на плате.
Рабочий ход рукоятки регулирует­
ся длиной штока и составляет до
10... 30 мм в радиусе.
4.1. Двухосевой манипулятор с 5-
ти элементным преобразователем
магнитного поля
В данном устройстве в качестве
ПМП использованы 5 бескорпусных
датчиков Холла типа ПХИ-611. Датчи­
ки размещаются на отдельной печат­
ной плате, снабженной 12-ти контакт­
ным разъемом типа PLS. Максималь­
ные габаритные размеры платы -
37х46х4 мм. Расстояние между центра­
ми МЧЭ25 мм.
плата преобразовате"1сй 1\-111
г---------------,
1
1
1
1
1
1
1
1
182
1
1
1
1
1
1
1
1
1
х,.
•
811.,.
х1
•+
+11
85
х В4х
J.
1
•Г
83
х1 -~
L--------------
Bl ... BS -датчик Холла типа ПХ11-611:
Dt\l - микросхема 1<омпарспора rnпa Ll\1329
41ир~1ы "National Sc1niconductor'";
Dt-\2 - микросхема инструментал1.ного усилителя
типа 1\МРО4;
DАЗ - микро~хсма стабилизатора типа 78L05:
DA4 - микросхема инвертора типа IC~M7660
DDЗ - микросхема т11па К 176ЛА 7;
VD1 ... VD4 - светодиоды типа .. <\Jl.307.
1
1
1
1
1.
1
1
1
•
1
1
•
1
1
1
•
1
1
1
1
Xl
.. ._
'"
,
,
"
\..
r
,
...
'-
,
/
"
'"
,
,
...
,
,
~
'"
,
/
...
~
,
...
-
/
~
,
,
...
'"
,
,
...
-
/
...
.
,
Принципиальная электрическая
схема и внешний вид платы преобра­
зователей магнитного поля и приведе­
ны на рис. 27.
В процессе работы над конструкци­
ей данного манипулятором было иссле­
довано несколько электронных схем.
На рис. 28 приведен один из вариан­
тов принципиальной электрической
схемы двухосевого манипулятора с 5-
ти элементным преобразователем маг­
нитного поля.
Схема (рис. 28) работает следую­
щим образом. Сигнал с преобразовате­
лей магнитного поля 81 ... 84 поступает
Xl
-
,,
,'
В 1... В5 - датчики Холна типа I1XI16 l l.
82
-
х-
-
-
-
-
Bl
85
83
х........ L.+
х
--
Чt-
х
-
'8-4 1
...
~· .....
-
-
В4
L.+
[><
-
-
-
-
-
-
''
' 1.1
,J
'~
,11
• lil
,11
,/
~,
•11
123456789101112
а)
на 4-х входовой высокочувствительный
компаратор DA1, а сигнал с преобра­
зователя 85 поступает на вход усили­
теля DA2. С выхода компаратора сиг­
нал поступает на вход логической схе­
мы 001 с подключенными к ней свето­
диодами VD1 ... VD4.
При достижении определенной ве­
личины магнитного потока, воздейству­
ющего на чувствительные элементы
ПМП, на одно~ из выходов микросхе­
мы DD1 изменяется логический уро­
вень сигнала с "О" на "1 ". Индикатора­
ми состояния микросхемы DD1 служат
б)
Рис. 27. Принципиальная схема (а) и внешний вид (б) платы преобразователей
магнитного поля с датчиками Холла типа ПХИ-611
г---------~-----------------------,
1
-
+sn1
3
1
.
DA3 -
1
сз+
VDI \102 VDЗ Vf.>4
1
....
_l2
1
1 i..
R2
100.0 I
~" 65' L.ь.'J' ~,
,"
L.
1
1RI
"
IOk
+5П ~6J QGJ
-'
~
1
1З.Зk4
14
...
RR
-
1
4
1
12
2
Jk
1
D1\1.1
3
r
1
111
+
001.1
•
1
1
5
RЗ
')
--
101
lOk
1
6
1
R9
1
'
91
-
1
С\
lk
1
~
DAI.2
4
f
81
f)D 1.2
1
+
-
7
R4
6_
•
1
7:
IOk
1
8
.
RJO
1
61
-
14
8
lk
DAl.3
1
1
51
10
1
+
DDl.3
-
4i
9
R5
9_
IOk
3·'
1()
-
Rll
1
1~
12
lk
"
1
DЛ.1.4
.;. 1
11
+
DDl.4
11
11
13-
1
12
1-"
+R647k
"
,
-...
--
-"'"
1
'-
"
+5В
1
R7 220k
7)
8
8
2
6
2
1
.
~Г]
4
-5в
. .L+C2
1
DA4
.
~
'\
1)А2
5
Т 10.О
1
.,.
.
.... с1
4
1
'1
+I 100,0
з1
-
...
1
1_______________ --"~~ ~~ро11~~
_________ _
Х2
-
,
8
.
7'
...
6'
.
5 ...
~
4,
.
,
3
-
2 ...
~
1"
+tJ!! (6 w 15)8
Выход 1
Выход 2
Выход3
Выход 4
Выход 5
(анапоговь1й)
Общий
Рис. 28. Один из вариантов принципиальной электрической схемы двухосевого манипулятора
с 5-ти элементным преобразователем магнитного поля
10
--------~~~-
---------~~~----------


светодиоды. Микросхема DАЗ типа
78L05 является 5-ти вольтовым стаби­
лизатором напряжения; DA4- являет­
ся инвертором и выполняет роль ис­
точника питания отрицательной поляр­
ности.
В качестве DA 1 использована ИС
компаратора типа LM329 фирмы
"National Semicondactor'', а в· качестве
DD2 - микросхема типа К176ЛА7
("2И-НЕ").
Центральный канал манипулятора
с преобразователем 85 служит для
формирования аналогового сигнала.
Сиг1~ал с преобразователя 85 поступа­
ет на вход усилителя DA2, в качестве
которого используется ИС типа АМРО4
фирмы Analog Devises. Подстроечный
резистор R7 служит для первоначаль­
ной балансировки схемы DA2. Резис­
тор R1 служит для установки рабочего
тока преобразователей 81 ... 85, вклю­
ченных параллельно.
В среднем положении рукоятки ма­
нипулятора напряжение сигнала на
выходах 1...4 устройства должны быть
'
близкими к нулю, сйгнал на выходе
усилителя DA2 должен быть макси­
мальным.
Внешний вид двухосевого манипу­
лятора с 5-ти элементным преобразо­
вателем магнитного поля рис. 29.
Максимальные габаритные разме­
ры двухосевого манипулятора без ру­
коятки - 50х5Зх60 мм. Длина рукоятки,
не более 25 мм, и выбирается в зави­
симости от решаемых задач. Масса
манипулятора, не более 130 г.
Максимальные габаритные разме­
ры платы электроники - 32х75х15 мм.
Напряжение питания - 6 ... 15 В, ток
потребления, не более 20 мА.
Рис. 29. Внешний вид двухосевого манипулятора
'
Xl
с 5-ти элементным преобразователем магнитного поля
DDЗ
1
,
3
-
.
DD_
DD5
DD4
l')
3
1 ...
'
] ...
•
-
.
_,
-
_,
-
R1
_"
-
"
DDl
-
R5
~
Rl R2
R4
"_
--
-
123
1 ,._
-
4..._
.
,--
--.... ~
1
!.
'
'/
'
,
~1
~'
''
'
1
'
1
ф''
'
1
12345678910
DDI."004 - r-..tикросхе:'\1Ы т11r1а Kl llбКПЗ;
DD5 - r.1икросхс\1а т11па К1 l l6K"ГI9.
а)
б)
Рис. 30. Принципиальная электрическая схема (а) ~ внешний вид (б) п11аты
преобразователей магнитного поля с микросхемами типа К1116КПЗ и К1116КП9
Рабочий ход рукоятки манипулято­
ра составляет 15 мм в радиусе. Ориен­
тировочная позиционная чувствитель­
ность манипулятора составляет поряд·
ка 0,1 мм.
Крутизна преобразования 5-го ка-
нала не мet:tee 100 мВ/мм, определяет­
ся магнитной чувствительностью ПМП
и коэффициентом усиления микросхе­
мы DA2, который определяется номи­
налом подстроечного резистора R6.
4.2. Двухосевой манипулятор с
использованием 5-ти магнитоуправ­
ляемых микросхем
При макетировании данного вари­
анта манипулятора была использова­
на "универсальная" конструкция, приве­
денная на рис. 26.
На плате преобразователей магнит­
ного поля установлены 4 магнитоуправ­
ляемые микросхемы типа К1116КПЗ
(001 ... 004), одна К1116КП9 (005), пять
бескорпусных резисторов нагрузки
(R1 ... R5) и 10-ти контактный разъем
типа PLS.
Принципиальная электрическая
схема и внешний вид платы преобра­
зователей с 5-ю магнитоуправляемы­
ми ИС приведены на рис. 30.
Максимальные габаритные раз­
меры платы преобразователей -
З7х46х4 мм, расстояние между центра­
ми МЧЭ МУМ-15 мм.
Данный вариант конструкции не
требует дополнительной электроники.
Пере~J1ещение рукоятки манипулятора
приводит к изменению напряженности
магнитного поля в магниточувствитель­
ной зоне одной из МУМ.
При превышении уровня магнитно­
го поля> Всра6 на выходе ИС (DD1 ... 005)
вырабатывается сигнал стандартного
логического уровня ''1 ".
Сигнал лог. "1" на выходе микросхе­
мы DD5 - соответствует среднему (ну­
левому) положению рукоятки манипу­
лятора.
Зона срабатывания каждой МУМ
находится в радиусе 3 мм от центра
МЧЭ микросхемы. Ориентировочная
позиционная чувствительность мани­
пулятора составляет порядка 0,5 мм.
Напряжение питания платы -
6... 16 В. Ток потребления, не более
40 мА.
11
...


4.3. Двухосевой манипулятор
с использованием магниторези­
сторов СМ4-1
При макетировании данного ва­
рианта манипулятора также была
использована "универсальная" кон­
струкция, приведенная на рис. 26.
В качестве преобразователей
магнитного поля были использова­
ны "монолитные" магниторезисто­
ры типа СМ4-1.
Магниторезисторы последова­
тельно с сопротивлениями нагруз­
ки (Rн) включались 4-х угольной
звездой и подключались к источ­
нику тока. Принципиальная схема
включения магниторезисторов
приведена на рис. 31.
Магниторезисторы СМ4-1, рас­
положенные в форме "креста", раз­
мещались на плате преобразова­
телей и фиксировались клеем "Мо­
мент". Учитывая необычайную ''не­
жность" магниторезисторов, плата
сверху защищалась СЛf?еМ плек­
сигласа, толщиной 0,3 мм.
Габаритные размеры платы
преобразователей - 30х40х1 ,5 мм.
Центры магниторезисторов распо-
-
ложены по радиусу, равному 15 мм.
Плата снабжена 8-ми контактным
разъемом типа PLB.
Принципиальная
электрическая схема и
внешний вид платы
преобразователей при­
ведены на рис. 32.
Принципиальная
схема (рис. 33) также не
требует подробных
объяснений. В качестве
Резисторы R5 ... R8 являются со­
противлениями нагрузки соответ­
стеующих магниторезисторов и
служат для первоначальной устq.­
новки "О" (при нахождении управ­
ляющего магнита над центром
"креста"). Магниторезисторь1
·{R1 ... R4) питаются от источника
тока, образованным транзистором
VT1, стабилитроном VD1 и резис-
•
торами R9 и R1 О. Рабочий ток ус-
танавливается при помощи под­
строечного резистора R1 О.
Микросхемы DАЗ и DA4 являют­
ся стабилизаторами напряжения.
Манипулятор питается от унипо­
лярного источника питания с на­
пряжением ±(6... 12 В) или от ста­
билизированного источника пита­
ния с напряжением ±5 В.
Электронная схема манипулято­
ра размещена на печатной плате
(ПЭ) с габаритными размерами
40х1ООх15 мм. Масса, не более 28 г.
ПЭ снабжена двумя разъемами
(типа BLS и PLS), необходимыми
для присоединения к плате преоб­
разователя, и соединения устрой­
ства с внешними цепями.
-.1-u
11
i
i\1R2
С) u c"X'
MR3
f\1H.4
l~н
усилителя сигнала ис­
пользуются две интег­
ральные схемы инстру­
ментального усилителя
типа АМРО4 (Од 1, DA2).
Резисторы R11, R12 слу­
жат для установки коэф­
фициента усиления мик­
росхем DA1, DA2.
A1~1no...'1. +lJn - по.дкл1очается к нсточ1н1ку тока.
Рис. 31. Схема включения магниторезисторов
12
Внешний вид "электронной ча­
сти" двухосевого манипулятора с
применением магниторезисторов
типа СМ4-1 приведен на рис. 34.
Крутизна преобразования уст­
ройства, не менее 50 мВ/мм, опре­
деляется магнитной чувствитель­
ностью магниторезисторов и коэф­
фициентом усиления микросхем
DA1 и DA2.
,_
'.
,
Rl ... R4 - ~rагниторсЗИ("ТОры (~f\'14-1
а)
г ...... --- .......... ........,_.. -
--- -
,_..., -- -
-,
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
...
-
..
:~ -·
R2
RЗ
R4
1
7
16
5
1
4
12
l
s...--__
__..
I
1_____________1
б)
Рис. 32. Внешний вид (а) и электричес­
кая схема (б) платы преобразователей с
магниторезисторами СМ4-1


п~1ата 11рсобразонатс-1ей 1\-IП
---------------------------------,
1
Х2
г----------,х 1
1-------
1
1
1
RЗ..· ·
3
f7
-------
1
f{2
4 1{4
1&--- .!..__...~
2
/
/
'/
/
/
1
RS+
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
-
.
.
1
R() t
1
1
1
1
-
1
1
1{7 t
2
.
1
1
1
1
3
1
-
•
1
J~R +
1
1
...
1i
11
11 ...
1i
1(
11 ...
110
11"
1i 9'
+U11
1
•
1
~~ j..-.1
"
1i 8'
R11
1!
1'-
.
[)Лl
1
1i7'
t'
11"
А.5
i1
6'
+U 1(5 В)
"
-
•
Выхо.!1 Х
(ана.:1оговь1й)
Пыхо;t У
( ана.: tОГОL\ЫН)
r
1
1
1
1
RJ
/
1
-llll
Rl2
0,5 в
+·t 1
1
-
1--
1
.)
t
+U11.," (5 В)
'
\;Tl
i
~ "':J~
~·
.
...
/
2.7 в
:!~ к
114-
1
"'
DA4
•
1
1
"
•Н
)
•
1 ,._,1
.
DA2~
-U,;(5 В)
1
R9
[ _________ !
1
"
791 _05
)
v
1! з·
-lJ11 (-~(S В)
+U11(6 - J~) В
-Uп(6- 12)В
OбLllHЙ
~
...
3,4 ll
l
{1
-
--
1!
'),
1
~
3.8 мА
,_
5
1
...
"-
--
"'1
1
1·
1
.\v
~
r1-
... .
,
t1
DАЗ
RIO
-.
--
Vf)l
·'1: - --
--
--1
1
-...
3
78L.05
1
'\'
1
--
1
+
26 :\i}\
1
--
2
1
I-
...
11J1ата э.11ектро11ик11 1
L--------------------------------j
Рис.33. Принципиальная
электр е ск ая схема
двухосев ого м анипулятора
с пр енением
магниторез сто ров типа СМ4-1
R 1.. .1~4 - магннторс1истор1.1 типа (".; М4-1, 50 0\-f;
R5 .. .R8 - подстросчнь1с :-.1ногооборотньrе резисторы тнпа СГI5-3, l 00 О:м;
R9 - резистор типа МJTI-0.125. lк01'\f;
R 10 - подстроеL1ный ~fногооборотный: резистор тппа СГI5-3, 300 Or-. 1;
Rl 1, R 12 - подстросчныс многооборотн1)1с рсзпстоr1)1 типа СГ15-3, 47 к()м ;
Vl11 - стаби:нtтроп на 2.7 В~
\ ' TI -тра111истоr КТ-361Г;
D.'\. f)i\2 - ~н1струмснт<L• н,111.1i-i ус11л11тсл1, типа 1\J'v1P04
Конструктивно МПДХ разме­
щался в стандартном металлостек­
нном корпусе типа 401.14-5.
Рамка и дно корпуса выполне­
ны из магнитного материала - ко­
вара (29НК). Кристалл укреплен на
дне корпуса при помощи электро­
проводящего клея типа "контак­
тол". Окно корпуса защищено алю­
миниевой крышкой.
Рис. 3 . шн ий вид "электронной части" двухосевого манипулятора
пр именением магниторезисторов типа СМ4-1
Обобщенные параметры мат­
ричных ПДХ, смонтированных в
микроманипуля-
•
4.4. Дв
торс4- э
преобразо
ентным матри_чным
в одно
лятора в ка
пользовал с
датчик Хол
магнитного поля
вар иантов манипу­
е П МП автором ис­
тр ичный полевой
ДХ).
Д Х представляет
Матрич
собой крем о .
--
к ристалл, на ко­
тором при по ·-·
UL.;I• К НИ-технологии
сформиров а 1 еты ре полевых дат­
чика Холла
ния,экра н(ох а
а ·е их цепи пита­
ый электрод), про-
водники и ко актн ые площадки.
Размер кри сталла - 1, 1х1,1 хО,6 мм.
Цепи п итания всех датчиков со­
единены паралл е л ьно и выведены
на соответствующие контактные
площадки. Охранный электрод яв­
ляется общим для всех датчиков.
Выводы от затворов элементов вы­
ведены на отдельные контактные
площадки.
•
Магниточувствительные эле­
менты расположены в два ряда.
Размер активной зоны каждого
элемента - О,05х0, 15 мм. Зазор по
горизонтали - О, 14 мм. Зазор по
вертикали - 0,25 мм.
Упрощенная топология кристал­
ла МПДХ приведена на рис. 35.
о
о
-
-
о
о
-
......
-
......
~~
'r
140 f\-tKfvt
•
~
~
....
,..
30х1~0
30х150
~f.КМ
~lt\M
-
j
'
1\.1 113 1
~1ilJ 3
-
~
~
-
.;?.
о
•r.
N
МЧ~Э2
.
MtIЭ4
.L..
--· ··
.... ··-
. ...
..
".
.,
30х150
JOх{50 1
\lt\'-1
MKl\I
!
-
1
Рис. 35. Топология кристалла
матричного ПДХ
•
корпусе типа 401 .14-5, приведены
в таблице 1. Параметры МПДХ
приведены по результатам изtу1ере­
ний партии приборов в количестве
100 шт.
Конструкция макета микрома­
нипулятора аналогична приведен­
ной на рис. 26.
Матричный датчик Холла разме­
щается на коммутационной плате.
Над этой платой устанавливается
шаровая опора, рукоятка и шток, на
котором укреплен постоянный маг­
нит. Магнит изготовлен из сплава
"самарий-кобальт". Габаритные раз­
меры магнита - диаметр 4 мм, дли­
на 2 мм. Величина индукции магни­
та составляет 120 мТл.
Конструкция манипулятора позво­
ляет свободно перемешать магнит в
приемной плоскости МПДХ по осям
"Х" и "У". Длина штока манипулято­
ра регулируется. Расстояние от маг­
нита до чувствительного элемента
13


устанавливается равным примерно
5 мм.
Принципиальная электрическая
схема манипулятора с 4-х элемен­
тным матричным преобразовате­
лем магнитного поля приведена на
рис. 36.
Схема (рис. 36) работает следу­
ющим образом. Сигнал с матрич ­
ного ПДХ (81) Rоступает на входы
усилителя постоянного тока (DA1) ,
выполненного на интегральной
схеме счетверенн<?го операционно­
го усилителя типа LM324 фирмы
"National Semicondactor", а затем на
логическую схему 001 типа
К555ЛЛ1 ("2 ИЛИ"), выполняющую
роль компаратора. При достижении
определенной величины магнитно­
го потока, воздействующего на
чувствительные элементы ПМП, на
одном из выходов компаратора
Таблица 1.
Обобщенные параметры матричных ПДХ, смонтированных в корпусе типа 401.14-5.
'
Наименование параметра,
•
N°n/n
Значение параметра
единица измерения
•
1
Напряжение питания, В
.
7...15
'
2
Ток управления, мкА
500... 800 (при UП = 9 В)
з
Остаточное напряжение, мВ
от-27ДО+40(приun=9В)
4
Магнитная чувствительность, мВ/мТл
0,088...О,118 (при UП = 9 В)
5
Входное сопротивление, кОм
11...17(приUП=9В)
6
Выходное сопротивление, кОм
10...15 (при UП = 9 В)
7
Коэффициент магнитоэлектрической 70 ... 90, при размещении кристалла
связи между элементами, о
на коваровом основании
•
11
1
1
4.....------,
('1
-
1
6 lll.1 1
1
)
2
1
l---4f-i---Э- >------i
-
"
-
1
. .,_....+-- -+ >-__.,_~ +
8'---~
3
5
1.------ ~
-5Н
R13
1
1
1
·•Б:~нанt;1-1ровка ·•
R2
,.___ ___.
1.......~
1
1
5
~--1+
53
1.,_.._
___.)
Rl4
-5Н
1).-\1.1
...,
•
f);\ 1.2
1
R6
1
2
2
}
4
.3
/
[)1)1.1
1
DDl.2
1
()
1
1
•
1
R9
1{ 10
1
1
•
--
1оо.о I+
/
/.-~-........., /
v""
!.)
\![) )
/
1--,-., /
1
,v
\'D:!
изменяется логический уровень
сигнала с "О" на "1".
Светодиоды V01 ... VD4 типа
АЛЗО7 служат для индикации со­
стояния компаратора.
Подстроечные резисторы
R13 ... R16 и R17... R20 служат для
первоначальной балансировки схе­
мы по постоянному току. Величи­
на резисторов R1 ... R4 определяет
коэффициент усиления ОУ, т.е.
чувствительностью датчика. Мик­
росхемы DA2 и DАЗ типа 78L05 и
79L09 являются 5-ти волыовыми
стабилизаторами напряжения.
Конструкции и внешний вид од­
ного из вариантов макета микро­
манипулятора с 4-х элементным
матричным преобразователем маг­
нитного поля приведены на рис. 37.
Микроманипулятор представля­
ет собой автономную конструкцию с
встроенными источниками питания.
Микроманипулятор выполнен ~ в
прямоугольном пластмассовом
-:5В 3
2
791.05
--
-1-
-r
Xl
(iB J
(9В)
1
1
·· Ба.. 1:.1111..'ировка •·
...-~~---------4------------------~-н--э-· 5
-
Н.3
1
DDl.3
,.___ __.
,
1
1.-...-1
1
1
~-~13 1 6
1
1
1~в
1
1
1
1
'-------. в 1.4 1
1
10
(>
1~ 1.5
+51J
'·Gа.1:.нн:пронка "
R4
13
9
1......-t
1
1
12+
1
-
-
-
10ss
1
1
~l r;
L-----J
- 511 ---н~..,.__..+~Н
11
1О 1() "Б(\.'J:нн:нровка•·
"------~
IJA1.3 /
};
J) "\ 1..i
14
R7
6
ч
4
10
1:!
5
13
6
I~ 1 - матриц<~ f IJJ.X; ОА 1 - <111ерац11онн1.1f'1 ус1и1и I"снь L~1324N; .
1)()1 - t.tпкро~хсма K555Jl"I 1; (.)/\ 'J
-
~1нкросхс~1а 791_05:
1)1\~ - r>fикpocxe\fa 7Х[.05; \![)) - \!1)4 свстодн~1.n :\11307;
Rl- R4
- резистор 3 1\.10~1; It5 · R8 - рсзн ...тuр 1 кО?.-1~
1
1))) 1.4
1
7
--
11
R9 - R12 - резистор 220 O.rvi: R 13 - Rl б - резистор r10,1стросчный 1 f\.10!.'lt:
R 17 ~ R20 - рс:.н1стор но...tстрос•нн.1ii 1О к(J:..1;
l"" I. С2 - J.11~ . .. .~rро..1нт11•1е;.·скнй кондсн~:.1rop470 r.tк х 1О I3.
14
1
1
•
1
Н.1 J
Rl2
•
1
•
•
1
\l[) 3
--
С2 _._+
too.oI·
+5В
......-----++-~· 4
.
--+-+--+: 3
't----+-~~ 2
1
•
'
DЛЗ
S\\' 1.2
78L05
о-, .
1
.._
......" -
3
GB 2 _i.:
---
(9I~) I-
'
Рис. 36. Принципиальная электрическая схема
микроманипулятора с 4-х элементным матричным
преобразователем магнитного поля


L
~
r--,
\ 1 Ручка 1\tан1111улятора
'·~
' -a-r
1'
'/
,1
.
..'
..
"
''
.
Ко~r~-1утаl\JI()нн ая
,
.....
1
/
'
1
'
·
С1·()i1ка
ru1aтa
\' ) По<.·т(.)янныii : /.
')-r°' fvf<Jl'HllT
/
11
.....
1•
--
~ ~jJ lДХ L.J-----
:
~~
.
· ·-~
.
~
••••
1-
1
1
1
в
:
1•
11
~ ,... • .SРХНЯЯ
J1;1а·га
1
'
"
1
1
1
-
i
Нижняя J1J1ата
[31"1 КЛIОЧЗТСJI II
~-->
ьа-гарсйный
O'f'CCK
....
--
------·
-
·-
а)
Рис. 37. Конструкция (а) и внешний вид (б)
микроманипул~тора с 4-х элементным матричным
преобразователем магнитного поля
б)
корпусе, который снабжен крыш­
кой и дном. Крышка изготовлена из
алюминия толщиной 5 мм. В ней ус­
тановлены четыре светодиода и
ручка манипулятора со штоком и
•
укрепленным на нем магнитом.
Дно корпуса изгото~лено из
оргстекла толщиной 4 мм и крепит­
ся к корпусу четырьмя винтами
М1 ,6 мм. При замене комплекта ба­
тарей дно легко снимается.
Корпус манипулятора разделен
на два отсека. В верхнем отсеке
размещена "этажерка", на которой
размещены две печатные платы с
электрорадиоэлементами. Крь1шка
корпуса и обе печатные платы со-
...
единяются четырьмя стоиками с
резьба~ МЗ.
5. Манипуляторы,
управляемые
вращением рукоятки
В данном типе манипуляторов
пере мещение управляемого магнита
, На верхней печатной плате раз­
мещается коммутационная плата,
на которой установлен матричный
полевой ДХ. Конструкция коммута­
ционной платы позволяет переме­
щать ее параллельно поверхности
верхней платы.
В нижнем отсеке корпуса мани­
пулятора установлена плата двух­
полярного стабилизатора напряже­
ния, а также спареНtiЫЙ выключа­
тель питания (Sw 1) и две 9-ти воль­
товые батареи типа "Крона".
Для соединения с внешними це­
пями манипулятор снабжен кабелем
с 8-ми контактным разъемом типа
РШ2Н-1-1 Н (на рис. 37 не показан).
Некоторые параметры макета
манипулятора приведены ниже.
осуществляется при вращении ру­
коятки.
При этом управ яющий магнит
может перемещаться как возвратно­
поступател ь но и перпендикулярно
15
r
'
Ток потребления датчика от ба­
тарей типа "Крона" составляет 1О
(43) мА - по цепи питания "плюс" и
.·,
41 (3, 7) мА по цепи питания "ми-
нус". В СJ<обках указаны токи, по­
требляемые при всех включенных
светодиодах VD1 ... VD4.
Рабочий ход рукоятки манипу­
лятора составляет 1 мм в радиусе.
Ориентировочная позиционная
чувствительность манипулятора
составляет порядка 0,05 мм.
Габаритные размеры макета
микроманипулятора
53,5х69,2х96,8 мм, масса - 280 г (с
комплектом батарей "Крона").
•
плоскости МЧЭ преобразователя
магнитного поля, так и вращаться
..,
в плоскости, параллельнои магни-
точу'Вствительному элементу.


Ь:коятка
llCC\'IIП\Л
печатная
П!IР.ТЁ
Вннт-п~ток
1:,:1Гай~_а
L1,
,1
"
1111/'
11
11/
11
1 1"'"
11111
11
11
'---.. __,__ IIреобра-зовате~1ь
~ +н L 1\1u1·11пт1toro поля
f.'1:}
ct - уго.1 поnорота рукояткн
L - хо:( магнит а
В.(С,)
•
И11 .rtу1н11н1, В IIJ, .)
---'
... --
= =·····--
iL
'•
t
'. ';)
1
:::
1
'
:!!
'
;:.
1
'.j
'
u
,
~
,
р..
,
,
,
о
81 ь54 з210
-
ооороть1 вин га
Рис. 38. Конструктивная схема "многооборотного" манипулятора
нссу1цая
ходовой
BllHT
!s:
);JЗI.CM
-
•
-
1-
11~111
~)•
•
•
•
----------------------------
•
\О
.
_. ..
•
плата
П0:1ГIИЖJltlЯ
llЛЗНК(!
25
35
а)
6)
Рис.39.Конструкция
"многооборотного" манипулятора
':::
~
~
:~
i
~
'
1~
$
~.
1
11
~
w
.""'
""'
в)
Рис. 40. Внешний вид плат с различными ПМП: а
-
с бескорпусным датчиком
Холла типа ПХИ; б - с ПДХ в корпусе 401.14-3; в - с магниточувствительной ИС
типа AD22151
5.1. "Многооборотный" мани­
пулятор
Конструктивная схема "много­
оборотного" манипулятора приве­
дена на рис. 38.
Принцип работы манипулятора
(рис. 38) сводится к тому, что при
вращении рукоятки управляющий
магнит движется возвратно-посту­
пательно перпендикулярно плоско­
сти МЧЭ преобразователя магнит­
ного поля. При этом величина ин­
дукции магнитного поля, воздей­
ствующего на ПМП, изменяется по
закону, близкому к В = B0/L3 , (где
В0 - индукция магнита при L = О).
J1a рис. 39 приведена конструк­
ция "многооборотного" манипуля­
тора, реализованная по указанно­
му принципу.
На несущем П-образном алю­
миниевом основании закреплены
элементы, необходимые для пере­
мещения управляющего магнита, и
печатная плата с преобразовате­
лем магнитного поля.
В качестве управляющего элемен­
та использован магнит из сплава
16
"неодим-железо-бор" с геометри­
ческими размерами 06х4 мм. Ве­
личина индукции магнита порядка
200 мТл.
Магнит, закрепленный на спе­
циальной планке, перемещался от­
носительно ПМП при помощи ходо­
вого винта М4 с шагом О, 75 мм.
Полный ход магнита составляет 12
мм (15 оборотов ходового винта).
Величина рабочего хода определя­
лась на линейном участке характе­
ристики Uc= F(L). Рабочий ход маг­
нита, в пределах линейного диапа­
зона, составлял 5 мм.
В качестве отсчетного устрой­
ства использовался лимб с нониу­
сом от прецизионного линейного
потенциометра типа ПЛ 1-1.
В качестве преобразователей
магнитного поля исследовались:
ПДХ в корпусе 401.14-3, элемент
Холла типа ПХИ-611 и магниточув­
ствительная ИС типа AD22151, ко­
торые размещались на отдельной
печатной плате. На печатной пла­
те размещен 5-ти контактный
разъем типа PLS. Габаритные раз­
меры платы 30х4Ох1 ,5 мм.
Внешний вид плат с различны­
ми ПМП приведен на рис. 40.
Внешний вид "многооборотного"
манипулятора приведен на рис. 41.
Габаритные размеры манипуля­
тора - 19х19х35 мм, масса, не бо­
лее 30 г.
Выходная характеристика "мно­
гооборотного" манипулятора соот­
ветствует отношению В= BJL3 •
При использовании датчика
типа ПХИ-611 и при токе управле­
ния, равном 0,7 мА, средняя кру­
тизна преобразования на линей­
ном участке характеристики со­
ставляла порядка 15 мВ/мм.
Манипулятор с полевым датчи­
ком Холла в корпусе 401.14-3 (Ап =
О,5х0,5 мм) при напряжении пита­
ния, равном 9 В, имеет в три раза
меньшую крутизну преобразования.
Точность позиционирования ма­
нипулятора определяется шагом
ведущего винта и может быть по­
вышена при использовании веду­
щего винта с шагом 0,5 мм или
менее.
"Многооборотный" манипулятор
можно использовать в качестве


а)
1
i
1
(б)
Рис. 41. Внешний вид: а - "многооборотного" манипулятора; б
-
планки с магнитом
Bl
В2
В1
"Xl
::
.\
2
s
)
С 1 1,tHvf
С2 0.033!\. -f
н------ ------.
RI' JJk
2
------
'-+- - -!
)+
()
1.0\1 I
Балансr1ровка
То•11ю
Грубо
2
((1
l•IO.O
В 1 - полевой датчик Холла в корпусе 401.14-2, А....::0,5 х 0,5 М\1;
В2 - бескорпусной ,11~тчик Хо.а.:11а т~-rпа ПХI I-611;
DA l - опера1{ионный уси:л11тель типа 574УД l ~
D1\2 - Ivrикpocxel\1a и11стр·у~1е11тru1ы1ого уснлитеJIЯ т11r1а А~11РО4;
R2. R4, R5, R6 - }.tногоборо1т11,1с подстросчныс рсзистор1.1.
Х2
+tJ11 (12- ISB)
-li11 (12-15B)
Выход (знаноговый)
()бнtий
Рис. 42. Принципиальная электрическая схема усилителя сигнала
с источником тока для питания ПДХ
5
4
3
>
l
5
4
\
2
XI
R2
(>.~1.
2
&----1) +
_
у~1 11111нка
I
pJбo•ICC1~ 10
· ni"a 1,
-Пlс
Г..ала11сироnка
Тu•шо
Грубо
'1
-
CS:
I 100,0
IС6
100.0
R6• \Ok
RK
IOk
Bl - пoлenoil датч1tк ХолJ1а n корпусе 401.14-2, А=О,5 х 0,5 ~1~1;
D1\ 1 - опсрац11011111,1й уснлитс:п) типа 574УД 1;
DA2 - f'.tикросхс~1а ннс·r румснталъного усилителя типа АМРО4;
R4. R5, R6, R7 - ~rногоборотныс подстросчныс резисторы.
Xl
s
+U 11 (J:! - 15В)
.,
3
2
Рис. 43. Принципиальная электрическая схема усилителя сигнала,
17
использующая затвор ПДХ для стабилизации тока управления
датчика угла поворота, для чего на
линейном участке выходной харак­
теристики выбирают отрезок, соот­
ветсвующий одному обороту ходо­
вого винта (рукоятки).
При использовании датчика
типа ПХИ-611 и при токе управле­
ния, равном О, 7 мА, средняя кру­
тизна преобразования на различ­
ных участках выходной характери­
стики составляла порядка от
0,0028 до 0,005 мВ/градус. Крутиз­
на преобразования может быть по­
вышена при использовании ходо­
вого винта с увеличенным шагом
до1ммиболее.
Для усиления сигнала с ПМП
были исследованы две принципи­
альные электрические схемы, при­
веденные на рис. 42 и рис. 43.
В схеме, приведенной на рис. 42,
элемент Холла питается от источ­
ника тока, реализованном на опе­
рационном усилителе DA 1. Рабо­
чий ток управления датчика уста­
навливает...ся при помощи много­
оборотного подстроечного резис­
тора RS.
В качестве усилителя сигнала
датчика использована интеграль­
ная схема инструментального уси­
лителя типа АМРО4 фирмы Analog
Devices (DA2).
Подстроечные резисторы R4 и
R5 служат для первоначальной ба­
лансировки схемы по постоянному
току, а резистор R6 - для установ­
ки коэффициента усиления микро­
схемы DA2.
Принципиальная схема усилите­
ля сигнала, приведенная на рис. 43,
использует затвор ПДХ для стабили­
зации его рабочего тока. Ток управ­
ления устанавливается при помощи
подстроечного резистора R7 [1].
В качестве усилителя сигнала
датчика использована интеграль­
ная схема инструментального уси­
лителя типа АМРО4 фирмы Analog
Devices (DA2).
Подстроечные резисторы R4 и
R5 служат для первоначальной ба­
лансировки схемы по постоянному
току, а резистор R6 - для установ­
ки коэффициента усиления микро­
схемы DA2 .
•
При использовании в "многообо-
ротном" манипуляторе в качестве


ПМП магниточувствительной ИС
типа AD22151, последняя включа­
ется в типовом режиме [1, 2]. Спе­
циальной схемы усиления в данном
случае не требуется.
5.2. Манипуляторы с исполь­
зованием магниторезисторных
мостов серии KMZ
Конструктивная схема манипу­
лятора с использованием магнито­
резисторного моста приведена на
рис. 44.
Конструктивная схема манипу­
лятора, приведенная на рис. 44, не
требует особых пояснений.
•
t\-1аrн.~т
.
1
--
Р)'I\:оятка
---
.Кqг.н.У.~::7
~-~г.~.tr
Е---- .... ,
'1
~!
s
1
1
Ра·}ъсм~.1
·----~---···-·-·····
:.
Манипулятор состоит из двух уз­
лов: платы преобразователя магнит­
ного поля (ПП) и платы электроники
(ПЭ). На плате преобразователя
размещены: ПМП, втулка, ось с ру­
кояткой и корпус-экран. Постоян­
ный магнит закреплен на конце
оси. Втулка установлена на корпусе­
экране:
При вращении постоянного маг­
нита в плоскости МЧЭ происходит
изменение сигнала на выходе пре­
образователя магнитного поля, ко­
торый усиливается и обрабатыва­
ется электронной схемой, разме­
щенной на плате электроники.
в качестве преобразователей
магнитного поля были исследова­
ны магниторезисторные мосты
типа KMZ1 Од и KMZ41, выпускае­
мые фирмой Philips [2].
•
_j__кь_1z~:±::J::==..!:;=-1..:в::J::::» [?: [ ] :q=
Рис.44.Конструктивная
схема манипулятора
с использованием
магниторезисторного моста
1\1аrнит
Плата прсобра·~оnuте;LЯ i\-111
h - габочий зазор
~.
.
1
IТлата электроники
Cil.
!
~1<\гнитоr1роnод
сь
10х5х2
.
1
Маrн1tт
05xl,5 ~IM
(NuI:cв)
1
1
i
1
1
tv1 агннтопnово''
..."
......................... ! .•......../;\
'dFeB
1
s
,
N
11~ч1;~т11ан 11111r1 а
1
1
кмz
1
Концентратор 1
1
___ ____ ,
скоба
s
SN
Кuнuснтратор
~НIТ
SN
•
11с 1 1а·11н1н 1111;. -. 11
Рис. 45. Некоторые варианты размещения управляющего магнита
5 !vlагнит
2
3
4
Механизм поворота и размеще­
ния управляющего магнита был ре­
ализован в различных вариантах.
Некоторые варианты размещения
управляющего магнита приведены
на рис. 45.
Для моделирования различных
вариантов манипуляторов была ис­
пользована ''универсальная'' конст­
рукция, позволяющая исследовать
различные типы ПМП и различные
постоянные магниты. На рис. 46
приведены некоторые элементы
"универсальной" конструкции ма­
нипулятора.
Внешний вид "универсальной"
конструкции манипулятора приве­
ден на рис. 47.
Рис. 47. Внешний вид "универсальной"
конструкции манипулятора
6
Рис. 46. Некоторые элементы "универсальной" конструкции манипулятора:
1 - два магнита (03х3 мм, В = 11 О мТл ), установленные на держателе ползункового контакта переменного резистора типа
СП3-9а; 2 - керамический магнит от фокусирующей системы телевизора (08х1 О мм, В= 30 мТл), установленный на держателе
ползункового контакта переменного резистора типа СП3-33-32; 3 - магнит из сплава "неодим-железо-бор" (1 Ох5х1 ,5 мм, ·
В= 200 мТл ), установленный на держателе ползункового контакта переменного резистора типа СП3-9а; 4 и 5 - литой магнит (5)
от тахометра (9,7х5,8х5,2 мм. В= 20 мТл ), установленный на держателе ползункового контакта переменного резистора типа
СПЗ-9а и размещенный в корпусе-экране; 7 - магнитная система от магнитоэлектрического измерительного прибора (040х15 мм,
отв. 015 мм, В= 50 мТл).
18


5.2.1. Манипулятор с использо­
ванием моста KMZ10
В данном варианте манипулято­
ра использован тонкопленочный
магниторезисторный мост типа
•
KMZ1 О фирмы Philips [2, З]. Выход-
ная характеристика моста KMZ1 О
"
приведена на рис. 48.
1lостоян.ныii
1\iаГТIИТ
Kf\1Z10
u11•.t>r
-U ""r"
•
Мост KMZ10 размещался на от­
дельной печатной плате (ПП). Для со­
единения с платой электроники ПП
снабжена 8-ми контактным разъемом
типа PLS. Габаритные размеры пла­
ты - 46х4Зх1 ,5 мм. Принципиальная
электрическая схема и внешний вид
платы приведены на рис. 49.
Фор~1а вi.1xo.u.11uгo си1 ·нала нри ~1оворо1е рукоя1·к11
Рис. 48. Выходная
характеристика
моста типа KMZ1 О
,..
на о~tин ооорот
KMZIOA
,-_..
............
. ,.,. .,_
....
Г"..".. ~
Х1
.
""""!".".
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
+U11 ,4
." •••4".~" 8
1 .... ---- ++--+
7
U1
-
ны~
6
5
4
2
+tluыx 1 I '---~~
L-------
...
l
а)
(б)
Рис. 49. Принципиальная электрическая схема (а) и внешний вид (б) платы ПП
с использованием моста KMZ1 О
Плата устанавливалась в "уни­
версальную" конструкцию, внешний
вид которой приведен на рис. 47.
В этом случае магниторезис­
торный мост расположен в магнит­
ном поле, создаваемом одним или
двумя миниатюрными постоянны­
ми магнитами, установленными на
вращающейся оси (см. р~с. 45 и
рис. 46). Устанавливая нулевое по-
ложение магнита как параллель­
ное оси Х (т.е. с магнитным полем
в Нх направлении), можно измерять
угловое перемещение до ±85 гра­
дусов (З]. Сигнал на выходе места
пропорционален sin 2а.
При возможном повторении
приводимой конструкции необхо­
димо обеспечить работу моста в
линейном режиме. В этом случае
рабочий зазор между управляю­
щим магнитом и МЧЭ выбирается
с учетом того, чтобы максимальное
напряжение на выходе моста не
превышало 5 ... 6 мВ. Для обеспече­
ния неискаженной характеристики
Uвых = F(a) необходимо тщательное
изготовление узла вращения магни­
та, с целью обеспечения минималь­
ных биений и максимального соблю­
дения соосности магнита и МЧЭ.
,_.._,------------------е-----<> ·+-Uл( 12В)
Для повышения уров-
ня выходнрго сигнала
можно использовать схе­
му манипулятора, приве­
денную на рис. 23.
•
lll
r---------
············t
.
.
('1
·+·
10.oI
Xl
~ .....! ...,
---------------+-~
~~
+l·J 14
.......... ~
8
2 ~5.7u
D:\2
R2
с~
J.2k
R4 470k
0,022 I
1
RJ
3,9k
R8 470k
1
1
1
1
1
KMZIOA
11
1
1
-Uuы\. J
7
6
•
D.I\ 1.1
8 [)t\1.2
u81JX
1
1
1
1
1
1
13
1
1
5
4
"'\
j
2
I
+{.Jli/.JX 1 l ""---___,_.~
L----------
l
"
2
RI IOk
R6 235k
3
1
5
Ьал<~нс
R7 22k
В l - магни·1 ор~зисrорнr~1й ?v1oc 1· ·1 нпа Kl\.1Z 1ОЛ;
[)Л 1.1,[)Л 1.2 - п.вухканальный опсраuионн1~rй ус11:1итсл1" NJ:552;
[)Л2 - 1J(~ стабили1с:t.тора валряжсния LМЗ 11·1·;
R12 - кгсмниt:вый тt.:рl\1uгс~истор тина КТУ81.
7
Rl1
6ХО
г
Рис. 50. Схема с термостабилизацией выходной характеристики,
рекомендованная изготовителем моста KMZ1 О
19
Обt1~11й
При использовании ма­
нипулятора за пределами
комнатной температуры
можно использовать схе­
му, рекомендованную из­
готовителем моста KMZ1 О
(фирмы Philips) и приве­
денную на рис. 50.
Схема (рис. 50) рабо­
тает следующим образом.
Выходной сигнал с магни­
торезисторного моста В 1
усиливается операцион­
ными усилителями DA1.1


и DA1.2. Кремниевый температур­
ный датчик R10 (КТУ 81), установ­
ленный в цепи обратной связи уси­
лителя Од 1.2, изменяет его усиле­
ние при изменении температуры
окружающей среды [1, 2].
Выходная характеристики манипу­
лятора при температуре от -25 и +40°С
приведена на рис. 51.
5.2.2. Манипулятор с использо­
ванием моста KMZ41
В данном варианте манипулято­
ра использован магниторезистор­
ный мост типа KMZ41 фирмы Philips.
В качестве магниточувствитель­
ного элемента использует ся сдво­
енный тонкопленочный ма г ниторе­
зисторный мост типа KMZ41, также
выпускаемый фирмой Philips. Маг­
нитные оси мостов KMZ4 1 п оверну­
ты на 45° относител ьно друг друга.
При вращени и исто чника маг­
нитного поля отн осите льно плоско­
сти KMZ41 сигналы (Uвых.1 и Uвых.2)
мостов сдвигают ся по фазе на 90°,
что позволяет рас шир ить диапазон
контролируемы х угл ов поворота.
Сигналы на выходе мостов соот-
•
ветственно пр о пор ц иональны s1n а
иcosа[2,4].
Выходная характеристика мос­
та KMZ41 приведена на рис. 52.
Мост KMZ41 раз м ещался на от­
дельной печатной пл ате (ПП). Для
соединения с платой электроники
ПП снабжена 8 - и контактным
разъемом типа PLS . Габаритные
размеры платы -
· 6х4Зх1 ,5 мм.
Плата устанавливалась в "универ­
сальную" конструкцию , внешний
вид которой приведен на рис. 47.
Принципиальная электрическая
•
схема и внешний вид платы приве­
дены на рис. 53.
Для преобразования синусои­
дального (косинусоидального) сиг­
нала в линейную функцию исполь­
зовалась специализированная ин­
тегральная схема типа UZZ9000,
в ыпускаемая фирмой Philips
Semiconductors.
ИС UZZ9000 предназначена для
построения датчиков угла поворо­
а, использующих два преобразо­
вателя магнитного поля.
Интегральная схема типа
ZZ9000 имеет достаточно сложную
структуру. Она содержит два АЦП,
один 13-ти разрядный ЦАП и дру­
гие необходимые узлы. В схеме ис­
пользуется специальный алгоритм
обработки сигналов моста. Микро­
схема размещается в 24-х вывод­
ном корпусе типа 8024.
Микросхема UZZ9000 с необхо­
димыми элементами размещалась
на отдельной печатной плате (ПЭ).
Для удобства работы микросхема
DA1 сначала распаивалась на не­
большую переходную плату, а за­
тем устанавливалась на плату ПЭ.
Электрическая схема манипуля­
тора с использованием UZZ9000
приведена на рис. 54 и не требует
особых пояснений. Сигналы (±U01
и ±U02) с мостов KMZ41 подаются
на два раздельных входа микросхе­
мы UZZ9000. На выход микросхе­
мы поступает аналоговый сигнал,
пропорциональный углу поворота
управляющего магнита [1, 2, 4].
ПЭ снабжена двумя разъемами
(типа BLS и PLS), необходимыми
для присоединения к плате преоб­
разователя, и соединения устрой­
ства с внешними цепями.
Габаритные размеры ПЭ -
25х80х15 мм. Масса, не более 15 г.
Внешний вид платы электроники
с использованием ИС типа UZZ9000
приведен на рис. 55.
.
·····-·····
... " ............ " ............... " ............................................. "......... "..
········ ..................................................... " .... \"." .......,...
..
" ..,......." ....." .. " ..
:
•
:
1
uв:i
1
2 51)(..,
1
:....
-·
.. ".
•.
J.......
_,
.
-···
•
1"
131.. х
...
.
";..
..
·-
..
-
•
-
_,_
,
.
.
.
.
'"
1•
•
.
.
.
.
.
.
.
:
!:
i
i;
1
j
;·1
...
"~-...."t· ".
.
. "".
.....
.;
...
".
..... ..
;.. .. ;.
"
..
...
."l.
." " . +·4()0(""'
:•
:
.
.
" ...... _ .... "..
.
.
.
.
.
.
.
'
.
.
.
:
:
:
.
:
.
.
.
;,•• • 0 •••••••••••00•••••••••••.... ":."••"
••• + "••• •••• ••~•
оо•••••• ••оо••••••...,•••••о0-о••.С"••••••"•+• 1 О •••••••'"~'"'"'""""'(о•ооооооооо•;оо.оооо"о'"""'У'" '''"''"'".""'''""""•4оо0ооо••••• "'" -О•оо•" ' "" '' " '" 1
:
:
.
'
.:
!
.
!
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
•
•
1
•
:
•
:
:
:
t
:
•
'
:...
:
.
.
.
+-
-L
,J
•
•
:
"........... ""
.
---
·-·
-·- t-
--
.
--
:
.
.
." ....."..
...,........_ __ .
-
+-- ·j
:
i
t
!,
•
i•:
i
.!i1
f
0.5
.
j·
1.~i i
·~
i
i!!
i
.
__ !,
1
_
!
+
:
·j
I
у-- •
•
4
1
1(1., ~га:~" : !
i
1
-ХО1· -601-40
-20
'
2,0j40j60
RO!
--
~
~---
----- --------
-·-
__ ..._---т-·
~
.----·-1 --t-- ----.r--.- -...O
Е
!
:
:
'
•
•
1
;
•
о.:.
.
:;
;i
""
."
.....". ··•· .... "t ·
.
. .~ .." .....4."." •••• "
••
".
".
"._
·-'
"
••" ." ••
--.:,--"·······t, ."."."! ··········:"······-·
•.•" ...... "".....
.
" .. ···r,·--·····
i
1
i
~
t
J
}
.
.
'
!,·
.
•
.
••
J.l...t
"."t
:
;
1
.
.
Е
:
"
0
'
f
!
:
:
•
i:
f
:"".." ..........." ~--···· .l...........·.......
·-·- .
-····-
.........
..·.:
1()
.
:
:
~
!
...
.." .."....
." .. .,..
·---···:·
- """•.. "."." .•.. "".".. ~ ... "".."~ · -···--·········•"••·
.. "."".1
•.
:
!
;
•
:
:
.
.
!.
:
~
ii
i~
1
;
:
:
-
;
•
1
,.
••
~
-
".......
:
.....
1~
--
t
·-~-
~-с•
-··
~
.
i:
~
!
:
:
.
i
;
1
l
.
:
1
1
:
i:!
15
'JBi.
i
,
i
.".. "".....""".i " ..... ";."."
."..
." " ." .......
.
".
-·----."......." .. "" -
•
...
-
l ..,, ,.....
-+·····-····•-""•····-~- ....." ..• "..... " ..; ... ·-·-·
..........,.."".".
:
:
.
;
п)·" ·'
:
.
i
j
:
:
i.
.
:
:
:
.
:
--"
_____. ."
"___....... _
...__..... _.
""-""••"."~-"--
·--~ _,". •.
" .............." ........ "."_.о" ....."."".--
_
........... "..._...""......"".......... "."-
"_."""...
.1.
."
""
"
Постоя111rый
f\1аг11и1·
а::=О
1
~-0:-,1
.
1
/
о
•
'1
1
'
-
.
:
'
'
'
-81_>1~,~/\ 1
•
,.
'.
';
'~
1:
.
u· \.
,: il·
-Uвмх ··--··
.".~··-- "."
.!." .. ".~~~~"..."~ ·
о
90
180
Рис. 51. Выходная
характеристики
манипулятора
при температуре
от -25 и +4О0С
•
'
'
''-
•
'.
1:
':
.:
1(
1
·'; 1
!'
:'
1
1
1',
'
11
а. гр;щ.
•
'
'•
t
1
,
,
!'.
'
•
;1
1''"
.
·-
\...~ -~-' -
270
- 360
(t>op1'ia выход1-1ого си1-11ала пр11 повороте
рукоЯТКlf I-Ia ОДИII оборот
Рис. 52. Выходная характеристика моста типа KMZ41
Xl
Обн\.1 Обrц.2 +{JRы11 2 +Ui<ux , _....,.
1-'u"----{7....- - --..:6?-----
.: 5·"
,о
'..
'/
-
.
1
1
•
1
1
1
7
:
K1\1Z41 :
:..'f',
!
:
~11j·_
~12
:
1
1
6
-
:'>
1
~...."
1
1
1
1
1
1
1
1
1
4
1
1
, .,,
~':'..
··'
L \ ] ;-----;2.. ------:,J;-----i,4>-t;
U
lJ
u.•1
1,,
-
l'W'I( 1
-
fll.:J\ 1
•
3
2
а)
]
(б)
Рис. 53. Принципиальная электрическая схема (а) и внешний вид (б) платы ПП
•
с использованием моста KMZ41
20


l lalJ!v(CIJOBllJIJIC
ре·1исторJ
R1 RJ.I RO,'t 16
!{2 ВЫ/30,] } 5
}{J ВЬIВО~ 14)
R4 (в1,1под 13)
Об!ц 1 Об1ц .2 +u."..
---нь."', ..---.....
1·\К··• -
-
1•-•••••{~)--
·
··
"'
,
1
1
7
1
l\.'17AI:
<Р ~:>. 1
~fl '
6
5
4
3
2
1
1{а:и1а'IСНИС
Регvни 1овка с:-..~ешения ~~оста 1
Pci- 'JJll l\)HJ\a с!\tс111сн11я ~~оста 2
УстаноНJ\3 п ;.IЯ BLIX0.:111oil ха акте JИСТИКП
PcГ\'.'lll Jовк~ ч.увств11т~л1~110~111 и цна113'JО
/'
1•
11
/
'
/\
/1
Hi.t YIJIOB)
•
lJl)[)Л
-U -.2
1.
-Uп
+Uc~
l
·t llп
2
3
4
5
6
-
7
-
_§
9
,
10
11
-
12
.
•
--
(')
+
.
--
100.0 I
24
DAl
23
22
21
20
•
lJZZ9000
19
18
17
16
-~
-
Rl
"
15
-
-
R.!
-
14
~
-
.
-
13
..,
{JSSi\
-
/~1- R4
-
по,1с1rосчн1.r~ pc·.нrcтophJ 100 к()f\f
•
ТР1- ТРЗ
-
u1.1uoд1.1 точек контро:1я
RЗ
.
.
R4
.
-
....
~"
-
.. ..
"
,
~
6"
-
"
-
.
...
4
,
~
3
,
-
"
"
-
"
1"
lJ!clW'\
f~R5
::5k
:t
'
ТР3 "Г()tJJ'
1'Р2 S~JC)J)E
TPI DATA (~LX
Dыход.
Обн(ИЙ
Рис. 54. Принципиальная электрическая схема манипулятора с использованием ИС типа UZZ9000
Основные параметры манипу­
лятора с использованием моста
KMZ41 и ИС типа UZZ9000, кото­
рые гарантируются изготовителем,
приведены в таблице 2.
При возможном повторении
при.водимой конструкции необхо­
димо обеспечить работу мостов в
линейном режиме. В этом случае
рабочий зазор между управляю- .
щим магнитом и МЧЭ выбирается
с учетом того, чтобы максимальное
напряжение на выходе мостов
(±U01 и ±U02) не превышало 100 мВ.
Для обеспечения неискаженной ха­
рактеристики Uвых = F(a) необхо­
димо тщательное изготовление
узла вращения магнита, с целью
обеспечения минимальных биений
и максимального ·соблюдения соос­
ности магнита и МЧЭ.
Следует отметить, что реализа­
ция параметров, пр~1веденных в
таблице 2, возможна только при
тщательной отработке конструк­
ции, сложной и трудоемкой на­
стройке всего устройства.
При необходимости получения
цифрового сигнала на выходе ма­
нипулятора t~ожно использовать
интегральную схему UZZ9001, так­
же выпускаемую фирмой Philips.
Принципиальная электрическая
схема манипулятора со схемой
UZZ9001 приведена на рис. 56, а
протокол работы - на рис. 57 (5].
•
•
"
Рис. 55. Внешний вид платьr электроники с использованием ИС типа UZZ9000
No
п/п
1
2
з
4
5
6
7
8
9
Таблица 2. Основные параметры манипулятора с использованием моста
KMZ41 и ИС типа UZZ9000, которые гарантируются изготовителем
Наименование параметра,
Диапазон значений
единица измерения
•
Диапазон изменения входного
ОТ0ДО180
параметра, градусов
(корректируется по шагам 10°)
Нулевая точка кривой выхода,
ОТ-5ДО+5
градусов
(корректируется по шагам 0,5°)
,.
,
Разрешающая способность, градусов
0,05... 1
~
.
Точность измерения углов, градусов,
±0,8 (в диапазоне 30°)
± 1,0 (в диапазоне 100°)
(в диапазоне)
± 1,4 (в диапазоне 180°)
Напряжение питания, В
ОТ 4,5 ДО 5,5
Ток потребления, мА
10
Выходное напряже~ие, 0/о ОТ un
ОТ5ДО55
Постоянная времени, мс
1,2
Диапазон рабочих температур, 0 С
-45 ...+ 140
Конструкции макетов и принципиальные схемы описываемых уст­
ройств специально не отрабатывались. Использовались подручные и
доступные автору материалы и комплектующие элементы.
•
При повторении макетов могут использоваться аналогичные электро-
радиоэлементы, находящиеся в распоряжении радиолюбителя. Тем более,
что современная элементная база сегодня доступна, например, в магази­
нах фирм 11 Чип и Дип", 11Платан" и др., а также в Интернет-магазинах.
21


u.",
Наи~tсио1i~1нис
р~знстора
Rl (НЬIВОД 16)
R2 (DЫBOil 15)
,-~
.. ..
..
·- ........
1
1
1
1
'1
1
:
...
] lаsначснис
-(:.111;.tx_,
...~...~-
Perv.111 онкСJ с~1е111с11ня ~1оста 1
Pcr у:1ировка с~н:1цспня ~1ot· ra 2
lJJ)[),\
-LJ .,
(-
-U c,
-+ LJi·~
t-lJ",,
8.
7/
6/
5/
4/
3
')
-
1
--
(~1
+
--
.
100.0 I
1
24
")
DAJ
23
...
3
22
4
21
5
20
б
19
-
UZZ9001
7
18
-
R
17
-
9
16
."
-
Rl
-
1()
15
~
~
"
R2
"
11
14
-~
-
12
.
13
USSA
.
,
•
1{ 1, R2 - по,1стrоечн1~н: ре·_н1сторы 100 к(>1\1
ТРl-ТРЗ
-
выводь1 точек коm·роля и упраnлсния
Рис. 56. Принципиальная электрическая схема манипулятора со схемой UZZ9001
start
contli1 jl)П
DЛТ\ CLK
(вхо· выв. 9)
S:\10DE '
-
( B:XOZI, ВЬIВ. 10)
i·ouт
BblXO.J llЬIB. 22)
Литература
\
'
'
'
'
•
'\
'
'•
1
1
41
1
1
.
1
'
\1
....
,.
l
•
•
2
.
Statt1sЬit #
3
-
4
1
j
'
1
1
•
1
1
5
j
stop
conditio11
•
~1
;-
-
1
1т
:/
~
.
Рис. 57. Протокол работы ИС типа UZZ9001 [5]
•
'
Гl
то
.
н
7
6
5
4
"
_,
1')
-
1
r.1{5
::5k
1
.. ..
,
...
,
...
-
...
-
....
"
...
,
...
,
-
.,..
t
t
•t
+tJп(5R)
·гs
CLK
ТР3 'Г()U"Г
ГР2 Sl\1<>DЬ
·гр 1 [)Лli\ CLX ·
Вьrход (D.t\TA)
Общий
1. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Том 1. Лазерный диск.
- ДМК
Пресс, г. Москва, 2002 г. Размещен
на сайте журнала "Радиолюбитель". www.radioliga.com
.
'
2. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Том 2. Лазерный диск. - ДМК Пресс, г. Москва, 2002 г. Размещен
на сайте журнала "Радиолюбитель". www.radioliga.com
.
З. KMZ1ОА1 Magnetic field sensor. Product specification Supersedes data of 1996. File under Disc'rete Semiconductors,
SC17. Philips Semiconductors. 12 р.
4. Daetmayer К. Wezer М. Contactless Angle Measurement using KMZ41 and UZZ9000. Systems Laboratory Hamburg.
Germany. 2000. 52 р.
'
5. Contactless Angle Measurement using KMZ41 and UZZ9001. Philips Semiconductors. 2000. 50 р.
22