Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка конструктивно-технологических решений создания микросенсорного интеллектуального магниточувствительного интегрального датчика положения для контроля подвижных узлов современных интеллектуальных робототехнических комплексов на основе микросистемной техники

Докладчик: Стахин Вениамин Георгиевич

Должность: нач.отдела проектирования СБИС, Начальник отдела, к.т.н.

Цель проекта:
1.1 Исследование и разработка научно-технических и технологических решений, направленных на создание микросенсорных интеллектуальных магниточувствительных модулей для датчиков углового положения, обеспечивающих измерение углового положения объектов с точностными характеристиками на уровне оптических энкодеров углового положения и превосходящих их по надежности в тяжелых условиях эксплуатации. 1.2 Создание основ технологии производства нового поколения высокочувствительных микросенсорных устройств типа датчиков углового положения для современных интеллектуальных робототехнических комплексов на основе микросистемной техники.

Основные планируемые результаты проекта:
В рамках проекта планируются к получению следующие основные научно-технические результаты:
2.1 Разработать, изготовить и провести исследования экспериментальных образцов микросхемы микросенсорного устройства (МСУ) магниточувствительной системы.
2.2 Разработать, изготовить и провести исследования экспериментальных образцов микросхемы аналого-цифрового специализированного процессора обработки сигнала и вычисления кода положения.
2.3 Разработать, изготовить и провести исследования экспериментальных образцов микросенсорного интеллектуального магниточувствительного модуля, состоящего из микросхем МСУ магниточувствительной системы и аналого-цифрового специализированного процессора обработки сигнала и вычисления кода положения.
2.4 Разработать проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка однокристального быстродействующего микросенсорного интеллектуального магниточувствительного интегрального датчика положения».

Разработанные экспериментальные образцы должны позволить создавать компактные, надежные и недорогие магнитные датчики углового положения для современных интеллектуальных робототехнических комплексов с разрешением не хуже 15 бит на период синусно-косинусного сигнала (32768 отсчетов), временем преобразования не более 10 мкс и широким набором пользовательских интерфейсов обмена данными с внешним контроллером. Планируемые показатели находятся на уровне существующих в мире передовых решений в исследуемой области и не имеют сравнимых по характеристикам Российских аналогов.
Разработанные в рамках ПНИ экспериментальные образцы микросхем могут использоваться и как отдельные изделия. В частности, аналого-цифровой процессор положения может использоваться для модернизации существующих и распространенных в РФ систем определения положения на основе синусно-косинусных вращающихся трансформаторов.
Результаты ПНИ дадут возможность создания микросенсорного интегрального датчика положения в виде единой системы на кристалле, интегрирующей микросенсорную систему и процессор положения.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты ПНИ могут быть использованы ведущими отечественными предприятиями в области робототехники, создания систем управления и позиционирования объектами, автомобильной промышленности, станкостроения. В том числе результат может быть востребован на следующих предприятиях: ОАО "Концерн КЭМЗ", ОАО «ВНИИ «Сигнал», ОАО «Автоэлектроника», ОАО «НПО «Сатурн», ОАО «КОНЦЕРН «ЦНИИ «ЭЛЕКТРОПРИБОР», ОАО "СКБ ИС" и другие.
Основная область применения результатов ПНИ - разработка и создание инкрементальных и абсолютных датчиков положения для использования в качестве датчиков обратной связи в узлах и системах робототехники, систем управления положения в военной и гражданской промышленности, создание интеллектуальных сервоприводов на основе вентильных электродвигателей, датчиков положения заслонок различных двигателей и др.
Работа также направлена на снижение себестоимости и повышение технологичности изготовления датчиков положения путем создания высокоинтегрированного решения (система на кристалле).

Текущие результаты проекта:
1. Определен текущий научно-технический уровень и основные тенденции развития по исследуемой проблеме путем проведения аналитического обзора информационных источников, патентных исследований и анализа топологии и схемотехники двух существующих образцов микросхем – компонентов микросенсорных интеллектуальных магниточувствительных модулей (AD2S1210 и iC-MH).
2. Проведены теоретические исследования решений магниточувствительной системы. Определена оптимальная конфигурация магниточувствительной системы, состоящая из 8-ми чувствительных элементов Холла, расположенных по окружности радиуса 1.1мм на угловой дистанции 45 градусов друг от друга со схемой суммирования, обеспечивающей формирование синусного и косинусного сигналов и компенсацию постоянной составляющей магнитного поля. Проведены исследования и определена оптимальная конструкция и профили легирования элемента Холла.
3. Проведены теоретические исследования путей создания аналого-цифрового процессора обработки сигнала и вычисления кода положения. По результатам исследований определена оптимальная структура и характеристики ключевых узлов – АЦП и вычислителя арктангенса угла. Для вычислителя арктангенса угла разработана Verilog-модель.
4. Проведена теоретическая оптимизация магнитной системы путем компьютерного моделирования методом конечных элементов трехмерного распределения магнитного поля в магнитной системе различной конфигурации. Определена оптимальная конфигурация магнитной системы и сенсорной матрицы магниточувствительной системы.
5. Разработана математическая модель, моделирующая микросенсорный интеллектуальный магниточувствительный модуль для датчиков углового положения с требуемыми в ТЗ характеристиками. Модель реализована в среде Matlab Simulink. Модель состоит из трех подблоков – модели магнитной системы, модели микросенсорной магниточувствительной системы и модели аналого-цифрового процессора обработки сигнала и вычисления кода положения. Модель позволяет проводить исследование и оптимизацию характеристик разрабатываемых экспериментальных образцов.