Содержание к диссертации
стр
Введение 5
Глава 1. Электроприводы шагающих роботов 12
Общие сведения о роботах 12
Выбор типа электродвигателя для сустава шагающего робота 17
Электроприводы с вентильными двигателями 22
Микроконтроллерное управление вентильными двигателями 29
Постановка задачи 34 Глава 2. Обеспечение заданных характеристик вентильного двигателя для шагающего робота, выбор структуры и коррекции
Сравнение двухфазных и трехфазных вентильных двигателей для системы управления суставом робота
Программирование параметров трёхфазного шестисскционного вентильного двигателя для системы управления суставом робота
Алгоритмы статической коррекции характеристик вентильного двигателя
Алгоритм табличной статической коррекции характеристик 60 Выводы по главе 2 61
Глава 3. Исследование электроприводов шагающего робота 64
3.1 Схема электропривода с вентильным двигателем для шагающего робота
Особенности разработки программного обеспечения для электропривода шагающего робота с вентильным двигателем
Динамическая коррекция электропривода робота с вентильным двигателем
Пример динамического синтеза системы управления локтевым суставом робота
3.4. Методика проектирования замкнутого электропривода с вентильным двигателем
Выводы по главе 3 92
стр.
Глава 4, Моделирование электропривода с вентильным двигателем 94
Моделирование электропривода с трёхфазным вентильным двигателем
Анализ модели трехфазного вентильного двигателя 106
Проверка таблиц программирования параметров трёхфазного шести секционного вентильного двигателя
Исследование вентильного двигателя без статической коррекции характеристик
4.2.3 Исследование вентильного двигателя со статической коррекцией характеристик
4.2.4. Исследование вентильного двигателя с табличной статической коррекцией характеристик
4.3. Исследование модели электропривода с вентильным двигателем 130
Выводы по главе 4 147
Глава 5. Экспериментальные исследования электроприводов шагающего
робота 149
5.1. Методика проведения экспериментальных исследований
вентильных двигателей малой мощности
Исследования синхронных электромеханических преобразователей для вентильного двигателя
Исследования вентильного двигателя 152
Исследование динамических характеристик вентильного двигателя
Описание экспериментальной установки и программы управления вентильным двигателем
Результаты экспериментальных исследований вентильного двигателя со статической коррекцией характеристик
Доказательство адекватности модели трёхфазного вентильного двигателя
Экспериментальная проверка таблиц программирования стр. параметров трёхфазного шестисекционного вентильного двигателя 174
Результаты экспериментальных исследований электропривода с вентильным двигателем
Методика испытаний следящего электропривода с вентильным двигателем
Экспериментальное исследование следящего электропривода
5.7. Экспериментальное определение времени вычисления
алгоритмов электропривода с вентильным двигателем в сигнальном 180
процессоре.
Выводы по главе 5 182
Заключение 185
Список литературы 187
Приложения 202
Приложение 1 203
Приложение 2 204
Приложение 3 207
Приложение 4 212
Приложение 5 218
Приложение 6 2!9
Приложение 7 223
Приложение 8 224
Приложение 9 225
Приложение 10 227
Приложение И 229
Приложение 12 235
Приложение 13 242
Приложение 14 243
Приложение 15 244
Акты внедрения 245
Введение к работе
Электропривод является неотъемлемой" частью многих агрегатов и комплексов,
используемых в различных отраслях науки и техники. Научно-технический прогресс,
автоматизация и комплексная механизация технологических и производственных
процессов определяют постоянное совершенствование и развитие электропривода
[72, 105]. В авиационной автоматике и в электроприводах многих
общепромышленных механизмов получили широкое применение вентильные
двигатели [5, 10, 12, 21, 23, 102, 127]. Электропривод с вентильным двигателем малой
мощности является сейчас одним из самых перспективных. Это объясняется его
высокой перегрузочной способностью, большой гибкостью и
многофункциональностью, программируемостью, возможностью построения высококачественных систем управления, хорошими регулировочными свойствами, разнообразием конструкций и схем построения, бес контакти остью, возможностью работы в тяжёлых условиях эксплуатации, большим сроком службы и высокой надёжностью [4, 5, 10, 32, 75, 93, 100, 122, 123].
В области теории и разработки электроприводов видное место занимают работы учёных: Л.В. Башарина, В.А. Бесекерского, Ю.Л. Бордова, С.В._Дсмидова, Н.Ф. Ильинского, С.Л. Ковчина, Н.И. Лебедева, Л.Г. Миксрова, Б.В.Новосёлова, В.Л. Новикова, В.И, Ключева, А.Д. Поздеева, Л.В. Рабиновича, В.В. Рудакова, ІО.А. Сабинина, А.А.Сиротина, Г.Г. Соколовского, В.М. Терехова, Б.К. Чемоданова, М.Г. Чиликина, В.М. Шестакова и др. [6-12, 18-23, 47, 48, 72, 82, 90, 92-100, 107, 117, 120-124, 129, 142, 143, 148, 149, 162].
Робототехника является новой областью применения электроприводов с вентильными двигателями, что накладывает определённый отпечаток на их проектирование, разработку и испытания. Шагающие роботы представляют собой новый и перспективный класс роботов, предназначенный для замены человеческого труда в изнурительных и жизнсопасных условиях, благодаря использованию в них наиболее удобного для передвижения по неподготовленной местности способа передвижения шаганием. Использование вентильных двигателей в суставах шагающего робота позволяет добиваться высокой точности управления и необходимых массогабаритных показателей. Разнообразие задач, подлежащих
выполнению за один цикл управления, определяет необходимость применения для управления электроприводами шагающего робота с вентильными двигателями сигнальных процессоров с высокой тактовой частотой. При этом алгоритмы управления электроприводами с двигателями постоянного тока не могут быть автоматически перенесены на электроприводы с вентильными двигателями. В то же время малопригодны для практического использования (особенно для микропроцессорной реализации) существующее алгоритмы улучшения статических характеристик вентильного двигателя (алгоритмы статической коррекции характеристик), не изучено влияние нелинейности характеристик вентильного двигателя на динамику следящего электропривода с ним. Таким образом, необходимы дополнительные исследования, а также корректировка методик проектирования и испытаний следящих электроприводов вентильными двигателями.
Отсюда может быть сформулирована цель диссертационной работы: разработка структуры и алгоритмов управления вентильным двигателем с использованием сигнального процессора для улучшения статических и динамических характеристик электроприводов шагающего робота.
Таким образом, могут быть сформулированы научные положения, выносимые на защиту:
Структура, алгоритмы, программная реализация и математические модели исполнительных вентильных двигателей интенсивного использования на базе шестисекционного синхронного электромеханического преобразователя с управлением от сигнального процессора для следящих электроприводов шагающего робота.
Методы статической коррекции характеристик и их программная реализация для исполнительных вентильных двигателей, обеспечивающие повышение линейности характеристик и улучшение энергетических показателей электроприводов.
Теоретическое объяснение и экспериментальное обоснование степени влияния статической коррекции характеристик вентильного двигателя на динамические показатели следящего электропривода.
Методика проектирования следящего электропривода с вентильным двигателем интенсивного использования с управлением от сигнального процессора, включающая этапы выбора синхронного электромеханического преобразователя, схемы его
7 включения и управления, проектирования статической коррекции характеристик, расчёта регулятора, выбора и программирования микроконтроллера.
Новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что:
Предложена модель шестисекциошюго вентильного двигателя интенсивного использования (учитывающая инерционность усилитель и о-преобразовательно го устройства и обмотки якоря), проанализированы и рассчитаны 25 вариантов возможных схем включения и управления такого двигателя.
Путём моделирования и экспериментальных исследований с использованием сигнального процессора проверены полный и упрощённые алгоритмы статической коррекции характеристик вентильного двигателя, включающие компенсацию влияния постоянной времени якоря, и предложен новый табличный алгоритм, компенсирующий все постоянные времени вентильного двигателя.
Установлено существенное влияние (подтверждённое моделированием и экспериментом) нелинейности статических характеристик вентильного двигателя на показатели качества следящего электропривода, а также показана эффективность алгоритмов статической коррекции характеристик на улучшение переходных процессов при больших рассогласованиях.
Предложена методика проектирования следящего электропривода с вентильным двигателем интенсивного использования, отличающегося процедурами выбора шестисекционного электромеханического преобразователя и схемы его включения, расчета алгоритма статической коррекции характеристик, выбора микроконтроллера и его программирования.
Практическая ценность диссертационной работы:
Разработана структура, конкретные схемы и проведены испытания следящих электроприводов на базе шестисскционных вентильных двигателей с управлением от сигнального процессора, обеспечивающие интенсивное использование двигателя, статическую коррекцию его характеристик и заданную точность и качество переходных процессов. Такие электроприводы пригодны к использованию не только в шагающих роботах, но и в высококачественных системах управления малой мощности различных областей народного хозяйства.
Созданы алгоритмы и программы для сигнальных процессоров, реализующие статическую коррекцию характеристик исполнительных вентильных двигателей,
8 обеспечивающие существенное улучшение энергетических показателей электроприводов и не требующие значительных затрат ресурсов микроконтроллера.
Выработаны практические рекомендации по улучшению качества переходных процессов следящих электроприводов с вентильными двигателями при больших рассогласованиях путём улучшения линейности механических и регулировочных характеристик двигателя с помощью методов статической коррекции характеристик.
Предложенная методика проектирования следящего электропривода с вентильным двигателем позволит существенно сократить время, затрачиваемое инженером-проектировщиком на выбор типа двигателя и схемы его включения, подготовку алгоритмов коррекции, выбор и программирование микроконтроллера, настройку и испытания электропривода.
Реализация и внедрение результатов работы:
Результаты диссертационной работы использованы в процессе проектирования, настройки и испытаний шагающего робота АРНЭ-02, разработанного ОЛО «Новая Эра», что отражено в соответствующем акте внедрения.
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедрах РЛПС и СЛУ ЭТУ-ЛЭТИ при проведении лабораторных работ по дисциплинам «Электрические машины систем автоматики» и «Вентильные двигатели». Выпушено учебное пособие по дисциплине «Малые электрические машины и приводы» (на английском языке) для студентов специальностей 210500, 180900, 180100, 180400 факультета электротехники и автоматики. Кроме того, на кафедре САУ ЭТУ-ЛЭТИ разработана экспериментальная установка для исследования двухфазного вентильного двигателя.
Основные теоретические и практические положения диссертации были доложены:
На ежегодном семинаре петербургских отделений (Chapters) международного института инженеров электротехники и электропики IEEE СПбГЭТУ, Санкт-Петербург, 07.12.2001 ги 12.06.2003 г.
На научном семинаре секции «Электромеханические системы и средства управления ими» Международной энергетической академии и Российского научно-технического общества электротехники и электроэнергетики, СПбГИТМО, Санкт-Петербург, 15 мая 2003 г.
Ma ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЭТУ-ЛЭТИ (№№ 54, 55, 56), Санкт-Петербург, 2001, 2002, 2003 гг.
На научных семинарах кафедр ЭМ и ЭМТ, РАПС и САУ ЭТУ-ЛЭТИ.
Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих печатных работах:
1. Джанхотов В.В., Микеров А.Г., Мустафа М.Н., Самохвалов Д.В. Модель
вентильного двигателя малой мощности в пакете MATLAB и экспериментальное
подтверждение ее адекватности. — Известия СПбГЭТУ (ЛЭТИ), серия
«Автоматизация и управление», выпуск 1 — СПб.: СПбГЭТУ(ЛЭТИ), 2002, с. 7 — 11.
A.G. Mikerov, M.N.Mustafa, V.V.Djankhotov. The Improvement Of Permanent Magnet Synchronous Motor Static And Dynamic Characteristics by Introducing of the Static Correction Algorithm. Proceedings of St.-Petersburg IEEE Chapters. Year 2001, ETU "LETI" Publishing House, St.-Petersburg, 2001, pp. 45-50.
Микеров А.Г., Джанхотов B.B. Малые электрические машины и приводы (учебное пособие на английском языке). — СПбГЭТУ. СПб.: 2002, 68 с.
D.D. Mordovchcnko, A.V. Yakovlev, A.G. Mikerov, A.N.Doroshenko, V.V.Djankhotov. DSP Controlled Drives With Embedded Permanent Magnet Synchronous Motors For Biped Walking Robot. Proceedings 2003 of St.-Petersburg IEEE Chapters, ETU "LETI" Publishing House, St.-Petersburg, 2003, pp.78-81.
Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в работе, подтверждается результатами имитационного моделирования электропривода с вентильным двигателем малой мощности с использованием программ MATLAB и Scilab, исследованиями на экспериментальной установке для изучения электроприводов шагающего робота, а также результатами настройки и испытаний 52 комплектов электроприводов для двух шагающих роботов АРНЭ-02.
Диссертационная работа состоит из введения и пяти глав, краткий обзор содержания которых приведён ниже.
В первой главе содержатся общие сведения о роботах, дается обзор наиболее ярких разработок, производится выбор двигателя и обший анализ электроприводов с вентильными двигателями малой мощности, рассматриваются существующие средства микропроцессорного управления, производится постановка задачи.
Во второй главе рассматриваются способы обеспечения заданных характеристик вентильного двигателя для шагающего робота. Для этого производится сравнение двухфазных и трёхфазных вентильных двигателей с точки зрения аппаратного и программного обеспечения. Па основании проведённого анализа в качестве исполнительных двигателей электроприводов суставов шагающего робота выбираются трёхфазные вентильные двигатели. Далее рассматриваются методы программирования параметров шестисекционного вентильного двигателя, анализируется 25 возможных схем соединения секций при различных способах коммутации, разрабатываются таблицы пересчёта параметров для рассмотренных схем включения. В последнем разделе рассматриваются известные способы статической коррекции характеристик вентильного двигателя, предлагается табличный алгоритм, анализируются преимущества и недостатки его использования.
В третьей главе исследуются электроприводы шагающего робота, анализируется типовая схема следящего электропривода. Также рассматриваются особенности разработки программного обеспечения для следящего электропривода шагающего робота. При этом принимаются во внимание особенности электропривода шагающего робота и вентильного двигателя в его составе, а также особенности применения сигнальных процессоров. Затем анализируются способы динамической коррекции электропривода шагающего робота с вентильным двигателем малой мощности, исходя из известной упрощённой передаточной функции последнего. В последнем разделе рассмотрена обновлённая методика проектирования электроприводов с вентильными двигателями. В этой методике учтены этапы выбора и расчёта схемы соединения секций трёхфазного шестисекционного преобразователя, микроконтроллера, алгоритма статической коррекции характеристик.
В четвёртой главе производится моделирование электропривода с вентильным двигателем. Приводится обзор литературы по моделированию вентильных двигателей, рассматриваются различные модели во вращающейся и неподвижной системах координат. В качестве основной программы моделирования выбирается MATLAB (Simulink), в качестве вспомогательной программы, значительно упрощающей моделирование табличной статической коррекции характеристик, выбирается Scilab (Scicos), Разрабатывается математическая модель трёхфазного
вентильного двигателя с учетом электронной и электромагнитной постоянных времени Ту и Тф. Производится анализ модели трёхфазного вентильного двигателя, а также проверка таблиц программирования параметров трёхфазного шестисекционного вентильного двигателя, предложенных в главе 2. Исследуется вентильный двигатель со статической коррекцией характеристик. Особое внимание уделено предложенному в главе 2 табличному алгоритму, наглядно показывается его специфика. Главу завершает исследование модели следящего электропривода с вентильным двигателем, рассматривается влияние постоянных времени последнего при и без статической коррекции характеристик на показатели качества переходных процессов и точность следящего электропривода.
В пятой главе производятся экспериментальные исследования электроприводов шагающего робота с вентильными двигателями. Предлагается методика испытания синхронных электромеханических преобразователей малой мощности и вентильных двигателей с микропроцессорным управлением на их основе. Результаты этих испытаний приводятся в этой же главе. Сравнением статических и динамических характеристик реального вентильного двигателя и его модели доказывается адекватность последней. Производится экспериментальное подтверждение таблиц программирования параметров трёхфазного шестисекционного вентильного двигателя. Затем приводится методика экспериментальных исследований следящих электроприводов с вентильными двигателями и результаты этих исследований. Доказывается адекватность модели электропривода с вентильным двигателем. Далее производится экспериментальная оценка времени, затрачиваемого на вычисление основных модулей программы электропривода с двухфазным и трёхфазным вентильным двигателем. Результаты экспериментальных исследований позволили подтвердить основные научные выводы работы.
12 ГЛЛВЛ 1. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ШАГАЮЩИХ РОБОТОВ.
1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РОБОТАХ.
Растущие потребности производства в выпуске качественной продукции обусловливают вес более широкое применение в промышленности средств автоматизации, в основе которых лежит вычислительная техника. Значительный интерес вызывает разработка роботов, обладающих большой гибкостью и требующих относительно низких материальных затрат. Роботом (от чешского «robota» — работа) называется автоматическое устройство, выполняющее функции, обычно приписываемые человеку [31, 55,71, 74, 88,91, 103, 108, 118, 136, 144].
Робототехника представляет собой область знания, лежащую па стыке различных дисциплин, включает вопросы кинематики, динамики, планирования стратегий, языков программирования и искусственного интеллекта [136].
Начало развития робототехники можно отнести к середине 40-х гг., когда в Окриджской и Аргоннской национальных лабораториях были сконструированы и собраны манипуляторы копирующего типа, воспроизводящие движения руки и кисти человека-оператора и предназначенные для работы с радиоактивными веществами [136].
В 1959 г. фирмой "Unimation" был выпущен первый промышленный робот, способный функционировать в изменяющихся условиях производственного процесса за счёт программного управления [136].
В 60-х гг. были предприняты попытки повышения гибкости программируемых роботов за счет использования средств очувствления [136]. Например, был разработан управляемый с помощью компьютера манипулятор МН-1 с тактильными датчиками, в котором впервые применялось адаптивное управление [175]. Позднее в состав системы была введена телевизионная камера. В тот же период был разработан опытный образец схвата с датчиками давления, по которым формировался сигнал обратной связи на мотор силового привода [191]. В конце 60-х гг. Лабораторией искусственного интеллекта в Станфорде был создан компьютер, оснащенный манипуляторами, телевизионными камерами и микрофонами [189]. В этот же период велись активные исследования, касающиеся вопросов кинематики, динамики и управления манипуляторами [163]. В 1969 г. Институтом океанологии АН СССР
13 совместно с Ленинградским политехническим институтом и другими вузами был создай телеуправляемый от ЭВМ робот «Манта» с очувствленпым захватным устройством [55]. Выпущенный в 1971 г. следующий его вариант был оснащен системами технического зрения и целеуказания по телевизионному экрану.
В течение 70-х гг. большое внимание в исследованиях уделялось использованию датчиков внешней обстановки для повышения качества функционирования манипуляторов. В 1971 г. фирмой «Hitachi» были разработаны экспериментальные образцы роботов с техническим зрением и элементами искусственного интеллекта «Hivip» и ETL-1 [136]. В 1974 г. фирма «Cincinnati Milacron» представила первого управляемого компьютером промышленного робота Т , работавшего с движущимися объектами на сборочном конвейере и поднимавшего грузы весом более 40 кг [136].
В 80-х гг. появились первые промышленные роботы с развитым очувствлением, включая техническое зрение, и микропроцессорным управлением — «Puma», «Unimatc», «Auto-place», «Cincinnati Milacron», «Aid-800» и проч.
Большинство современных промышленных роботов представляют собой по сути простые позиционные механизмы. Их функционирование сводится к воспроизведению заранее запрограммированной последовательности движений. В результате роботы применяются в основном для выполнения простых многократно повторяющихся операций.
Параметры и конструктивные особенности роботов определяются областью их применения. Спектр применения роботов чрезвычайно велик [25]. Они используются в угольной и горнодобывающей промышленности, металлургии, лесозаготовительном и деревообрабатывающем производстве, строительстве, сельском хозяйстве, лёгкой промышленности, транспорте, медицине, сфере обслуживания. Сфера использования роботов непрерывно расширяется. Новыми областями применения являются керамическая и стекольная, дерево-, асбесто-, пластико- и резинообрабатывающая, а также швейная промышленность. Многие роботы, например, космические и подводные, предназначены для эффективной работы в тяжёлых полностью автономных условиях эксплуатации. К 2000 году во всём мире в эксплуатации находилось около 100000 роботов, из них в промышленности — 65000 [50, 169]. В будущем роботы могут быть применены в военной и химической промышленности, п
14 армии, в пожарных войсках, на флоте [70]. Роботы могут быть использованы для обслуживания инвалидов и тяжелобольных людей. Особенно важной, в связи с бурным развитием мирового экстремизма и терроризма, является задача создания роботов, способных принимать решения при разминировании помещений. Хорошие перспективы имеет и применение роботов для образовательных целей [ 182, 198,200].
Таким образом, роботы интенсивно внедряются во многие сферы жизнедеятельности людей. Наиболее яркие мировые достижения в области мобильной робототехники представляются на ежегодном симпозиуме RoboCup [159, 172,180,194,202].
Особый раздел робототехники представляют шагающие роботы. Способ передвижения с помощью ног является наиболее распространённым в живой природе. Несмотря на то, что именно шагающий способ передвижения является особенно удобным на заранее неподготовленной местности и обладает большой экономичностью, из-за высокой сложности управления его использование в современной технике ограничено. В общем случае шагающая транспортная машина состоит из корпуса (несущей платформы), манипуляторов («рук»), псдипуляторов («ног») с приводами степеней подвижности; систем энергоснабжения, управления, связи и информации.
Класс шагающих роботов можно разделить на шести-, четырёх- и двуногих.
Представителем шестиногих роботов является ASV-84, созданный в университете штата Огайо [103]. У робота шесть псдипуляторов, три из которых в любой момент времени опираются на поверхность, обеспечивая устойчивость.
Примером четырёхногих роботов является Aibo от Sony — автономный робот, принимающий независимые решения относительно собственных действий, благодаря специальному программному обеспечению [50, 151, 157-160, 171-173, 185].
Больший интерес представляют двуногие роботы. Управление ими, вследствие меньшей устойчивости, сопряжено с большими трудностями, однако специалисты прогнозируют создание к 2050 году двуногих роботов, способных обыгрывать в футбол профессиональную команду [194].
В ноябре 2000 года Honda представила версию человекообразного робота Asimo высотой 120 см и массой 43 кг, предназначенного для использования в повседневной жизни [ 172, 177, 183]. Впервые двуногий робот был оснащен
15 независимо передвигающимися пединуляторами и перемещался в пространстве, преодолевая разнообразные препятствия, без рывков.
Главный конкурент Asimo — двуногий робот SDR-4X фирмы Sony [208], снабжённый 2 видеокамерами и 7 микрофонами, способный передвигаться по неровным поверхностям, огибать препятствия, восстанавливать равновесие, распознавать цвета и выполнять ряд устных команд. Робот может поддерживать несложный разговор. SDR-4X способен распознавать внешность, голоса и имена 10 человек. Высота робота 56 мм. В настоящее время в мире существует около 80 различных проектов по созданию двуногих роботов.
В начале 2000 г. петербургская фирма «Новая Эра» приступила к созданию собственного двуногого робота ЛРНЭ («Антропоморфный Робот фирмы «Новая Эра») [162]. Высота робота составляет 123 см, вес — 54 кг.
Прототип робота (рис. 1.1) оснащен двигательной системой с 26-го степенями подвижности на основе двигателей постоянного тока с волновыми редукторами, а также системой технического зрения и системой стабилизации для поддержания робота в вертикальном положении. Связь между всеми уровнями управления осуществляется по CAN-ссти. С помощью прототипа производилась отработка основных алгоритмов движения для робота АРНЭ-02 (рис. 1.2) [150, 162].
Общее количество приводов в роботе ЛРНЭ-02 составляет 28: по 6 приводов в педипуляторах, по 5 —в манипуляторах, по 2 — на кистевые суставы, а также 2 привода в голове. Двигатели, используемые в кистях и голове, представляют собой микродвигатели постоянного тока, выпускаемые фирмой FauIIIaber, прочие — вентильные двигатели. Помимо вентильного двигателя, электропривод робота содержит кодовый датчик положения ротора ЛИР-219А с количеством импульсов на оборот 2048, контроллер KR1-04 на основе Motorola DSP56F805, ШИМ-усилитсль мощности с драйвером фирмы International Rectifier IR2132A, а также волновой редуктор фирмы Harmonic Drive. Для стабилизации робота используются 4 тактильных датчика фирмы FlexiForce, закреплённых в подошвах педипуляторов, а также 3 датчика ускорения ADXL202 и 3 датчика угловой скорости ENV-05F-03.
Общее количество микроконтроллеров в роботе АРНЭ-02 составляет 16, каждый из них управляет либо тремя двигателями постоянного тока, либо двумя трёхфазными вентильными двигателями. Все микроконтроллеры объединены в сеть
F;ic.
ГЪ0ТиЧ\Н!Ч ШЗГ^ЮІ.ЦСЇО^обоіа ЛРЇО-Ої.
Ряс 1.2. Слагающий робот ЛРН >-Q2.
17 CAN. В голове робота размещены телевизионная камера и динамик; робот оснащён цифровым процессором речи, обеспечивающим воспроизведение нескольких сообщений, касающихся самодиагностики. Так, в случае обнаружения неполадок, он информирует об этом. В настоящее время принятие решений, аудио- и видеообработка производятся удалённым компьютером по протоколу RS-232 с использованием беспроводной технологии BlueTooth. Аналоговый видеосигнал с камеры передаётся в персональный компьютер через радиоканал. Для обеспечения речевого общения используется компьютерная программа синтеза речи. Речевой сигнал, сгенерированный этой программой передаётся по радиоканалу и воспроизводится динамиком в голове робота. Робот также способен воспринимать несколько несложных команд, таких как «повернись налево», «иди вперёд», «принеси мяч» и др.
Для управления роботом используется пятиуровневое программное обеспечение. Первый (нижний) уровень предназначен для управления различными степенями подвижности; второй — для управления перемещениями робота в пространстве; третий генерирует траектории походки и контролирует устойчивость робота; четвёртый позволяет накапливать информацию об окружающей среде и вступать во взаимодействие с её объектами; пятый уровень обеспечивает управление роботом извне, а также выполнение заранее определённой последовательности действий, управление речевыми командами, непосредственное управление оператором и синтез речи.
1.2. ВЫБОР ТИПА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ СУСТАВА ШАГАЮЩЕГО РОБОТА.
Важнейшими показателями электрических двигателей, предназначенных для систем автоматического управления, являются линейность характеристик, стационарность параметров, быстродействие, влияние на окружающую среду, а также малые масса и габариты. До последнего времени наиболее предпочтительным с этой точки зрения было применение электродвигателей постоянного тока. Однако эти двигатели характеризуются наличием щёточ но- коллектор його узла и обусловленными им искрением и помехами, плохим тешюотводом якоря и, как
IS следствие, малыми надёжностью и сроком службы, особенно в тяжелых условиях эксплуатации (около 1000 часов). Вследствие перечисленных недостатков, названные двигатели практически невозможно применять в бортовых следящих системах, космической и авиационной технике, биомедицинской аппаратуре и т.д. Кроме того, использованные в прототипе робота ОАО «Новая Эра» (рис. 1.1) двигатели сильно выступают из суставов, что заметно ухудшает габаритные показатели системы и негативно сказывается на её зрительном восприятии. В то же время электрические машины переменного тока являются более простыми и надёжными, вследствие бескоитактности, однако их характеристики нелинейны.
Развитие электроники привело к созданию нового класса электрических машин, характеристики которого в значительной степени формируются благодаря сопряжённым с ними электронным компонентам управления, диагностики и защиты. Такие машины предназначены для использования не только в электроприводе, но и для генерирования энергии, измерения, преобразования информации. Эта совокупность электромеханического и электронного преобразователей получила название элсктромеханотронного преобразователя, а раздел электромеханики, изучающий свойства таких преобразователей назван электромеханотроникой [78, 79, 92, 97]. Одними из наиболее перспективных электромеханотронных систем являются вентильные двигатели (ВД), объединяющие в себе достоинства бесконтактных и коллекторных машин.
В настоящее время ВД малой мощности (до 1 кВт) используются в системах автоматического управления с повышенными требованиями к надёжности и сроку службы, например, в бортовых следящих системах и системах угловой стабилизации высокой точности, системах регулирования скорости с большим диапазоном, имеющих высокий темп пусков, остановок и реверса, космической и авиационной технике, автомобильном машиностроении, биомедицинской аппаратуре, бытовой технике и др. [4, 5, 8, 12, 57, 60-62, 68, 77, 85, 92, 98, 104, 161, 184, 199]. Столь широкий диапазон применения таких машин объясняется их хорошими регулировочными свойствами, разнообразием конструкций и схем построения, бесконтактностью, возможностью работы в тяжёлых условиях эксплуатации, большим сроком службы и проч.[41, 48, 82, 92, 162]. Конструктивно ВД состоят из электромеханической и электронной частей [86].
Широко распространены ВД на основе магнитоэлектрических синхронных электромеханических преобразователей (СЭМП), к положительным свойствам которых можно отнести простоту электрической схемы, повышенную устойчивость работы в синхронном режиме, равномерность частоты вращения, а также высокую надёжность, низкий уровень шумов и помех [13, 92, 108]. При этом, благодаря отсутствию необходимости потребления энергии возбуждения, указанные двигатели имеют сравнительно высокий КПД. Главным недостатком таких машин является повышенная стоимость по сравнению с СЭМП других типов, обусловленная высокой стоимостью и сложностью обработки постоянных магнитов, выполняемых из сплавов, обладающих большой коэрцитивной силой (нежебор, самарий-кобальт и др.).
В странах СНГ для ВД малой мощности существует только одна серия встраиваемых магнитоэлектрических СЭМП — ДБМ (рис. 1.3). Машины этой серии имеют плоскую встраиваемую конструкцию, содержащую статор 1 с обмоткой 2 и ротор 4 с постоянными магнитами из самарий-кобальтого сплава 3, установленными между полюсами из электротехнической стали 5, через которые замыкается магнитный поток. Внутренняя часть ротора содержит немагнитную втулку б, отверстие которой может быть использовано для пропуска проводов, светодиодов или установки датчика положения ротора. Для двигателей серии ДБМ допускаются различные схемы соединения обмоток статора [12]. Однако двигатели серии ДБМ не всегда подходят для управления суставом робота по мощности, развиваемой при необходимых массе и габаритах. Так, прототип робота АРНЭ позволил установить, что двигатели суставов могут быть разделены на слабо- и сильнонагруженные. К слабонагруженным относятся, главным образом, суставы верхней части робота. К сильнонагруженным — суставы ног. Исполнительный двигатель слабопагружснного сустава должен обеспечивать максимальную механическую мощность около 25 Вт при наружном диаметре не более 60 мм, двигатель сильнонагруженного сустава — не менее 100 Вт при наружном диаметре не более 15 мм.
Из существующих двигателей для применения в слабонагруженном суставе наиболее подходящим по мощности оказывается 2ДБМ70-0,1б-3-3. Однако наружный диаметр статора этого двигателя составляет 70 мм, что не удовлетворяет требованию
Рис. 1.3. Двигатель ДБМ с тангенциальным размещением магнитов на роторе.
Рис. 1.4. Функциональная схема электр опри вола с вентильным двигателем, замкнутым по току, скорости и положению.
21 к габаритам. Прочие машины серии ДБМ с наружным диаметром статора 50 мм не обеспечивают необходимой мощности [12]. При этом двигатели, необходимые для с ил ьн онагру же иных суставов вообще не представлены в серии ДБМ. Таким образом, ни один из существующих серийно выпускаемых СЭМП не подходит для управления суставами разрабатываемого шагающего робота. Поэтому в сентябре 2001 г. фирма «Новая Эра» начала разработку собственной серии магнитоэлектрических СЭМП ДБ, удовлетворяющих условиям конструкции и механики робота ЛРНЭ, а также других аналогичных роботов и систем.
Сравним двигатель постоянного тока Hi-TDrive, используемый в прототипе робота, ДБМ-70, ДБ-50 и ДБ-70 с помощью табл. приложения 1. Очевидно, мощности двигателей НІ-TDrive, ДБМ-70 и ДБ-50 хватает только для слабонагруженных суставов. Двигатель ДБ-70 способен обеспечить мощность, достаточную для силыюнагруженных суставов. При этом ДБ-50 оказывается легче Hi-TDrivc, а ДБ-70 — легче ДБМ-70 при том же габарите. Электронные части ВД суставов робота ЛРНЭ-02, аналогичные используемым в прототипе и управляющие двумя локальными приводами, могут быть размещены в прилегающих к суставам частях и не влияют па габариты системы.
Могут быть выделены режимы работы робота, при которых необходимо увеличение его скорости передвижения или грузоподъёмности. В этом случае полезным может оказаться принцип интенсивного использования, при котором, в отличие от номинального использования (все параметры нормированы), нормируются только некоторые предельные параметры, образующие область безопасной работы [9, 92]. В соответствии с принципом интенсивного использования для двухфазных четырёхсекциониых и трёхфазных односекпионных ВД существуют методики и таблицы, позволяющие изменять их свойства посредством перемены структуры [12, 92].
Двигатели ДБ-50 и ДБ-70 по экономическим и конструктивным соображениям являются трёхфазными. С точки зрения шагающего робота их обмотку целесообразно выполнять в виде шести секций, поскольку при этом предлагается большое количество вариантов схем соединений. Однако в литературе для шсстисскционных ВД не существует расчётных таблиц, подобных приведённым в [12].
22 1.3. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ВЕНТИЛЬНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ.
Обобщённая функциональная схема замкнутого по положению электропривода
(ЭП) робота с ВД, представлена на рис. 1.4, где ОУ — объект управления, МП —
механическая передача, УМ — усилитель мощности, ПК — преобразователь
координат, РТ — регулятор тока, ДС — датчик скорости, PC — регулятор скорости,
ДП — датчик положения, РП — регулятор положения [8]. По принципу действия
основные узлы ВД можно разделить на электромеханические и электронные.
Указанные компоненты известны и широко применяются в различных электрических
машинах и системах автоматики. Однако при включении их в состав ВД необходимо
учитывать определенные специфические требования: бесконтактность,
встраиваемость, согласование по числу пар полюсов, высокое быстродействие, стабильность в широком диапазоне изменения условий эксплуатации и проч. Поэтому основные узлы ВД требуют, как правило, специальных схемно-технических и конструктивных решений.
Управление ВД осуществляется электронным усилительно-
преобразовательным устройством (УПУ), состоящем в общем случае многофазной машины из усилителя мощности, преобразователя координат (ПК), а также преобразователя числа фаз (ПЧФ), не показанного на рис. 1.4, и формирующим фазные напряжения по любому заданному закону [92, 106, 128].
При работе двухфазного СЭМП с постоянным магнитом на роторе и взаимно перпендикулярными фазами обмотки статора Л и В в составе ВД, па выходе УПУ формируются фазные напряжения обмоток статора СЭМП иА и ив по алгоритму ПК (обратного преобразования Парка) [92,95,99, 165]:
"а = HrfCosO- wgsin8, (1-1)
Мр = ltd sin0 + uq cos9.
В случае трёхфазного СЭМП после (1.1) выполняется ПЧФ (инверсное преобразование Кларка):
иа и иа;
«4=-0,5«а+л/з/2нр; (1.2)
«с = - (иа + иь),
23 или вместо приведённых алгоритмов используется прямое преобразование координат:
ил = uq cosO - Ud cos(jt/2 - G);
щ = uq cos(2n/3 -9)- itd cos(9 - л/6); (1.3)
ue = -uq cos(n/3 -9) + ud соз(лУ6 + 9).
По характеру вращения вектора МДС якоря Fs различают дискретный и непрерывный способы управления СЭМП. В первом случае фазные напряжения имеют вид ступенчатых циклограмм [46, 58, 72]. При этом результирующий вектор МДС статора совершает скачкообразное движение, а угол 9.w колеблется в зависимости от угла поворота ротора относительно оптимального значения л/2, что вызывает пульсацию момента и скорости ВД, в котором, в отличие от синхронной машины, эти колебания не зависят от момента нагрузки, а определяются выбранным законом коммутации. При дискретном управлении электронная часть ВД называется коммутатором. Преимуществами дискретного управления являются относительная простота датчика положения ротора и коммутатора. При непрерывном управлении МДС якоря Fs создаёт в зазоре СЭМП круговое магнитное поле, вращающееся с частотой изменения питающих напряжений.
Под векторным управлением обычно понимается формирование любых законов изменения величин МДС статора Fs и потока ротора Ф„ т.е. управление векторами [65]. Известны различные законы векторного управления [65, 92, 152, 153, 190, 195-197, 201]: обеспечение максимума момента, обеспечение единичного коэффициента мощности, обеспечение максимума момента на единицу тока, обеспечение постоянного потокосцепления в воздушном зазоре, обеспечение максимума КПД, обеспечение желаемых потерь при данной скорости. Наиболее часто под термином «векторное управление» подразумевается поддержание прямого угла между потоками статора и ротора с целью получения максимального вращающего момента [92, 95].
В зависимости от точности реализации алгоритма преобразования координат различают полное и упрощенное векторное управление (ВУ) [92, 104]. При упрощённом ВУ, в отличие от полного, не используется вход d, т.е. uj=0. При этом угол 9М между мапіитньїми потоками в СЭМП будет отличаться от к/2 на угол 9П тем больше, чем больше скорость вращения. Применение упрощённого ВУ целесообразно
24 либо при малых электромагнитной Гф, (характеризующей запаздывание тока относительно напряжения из-за индуктивности обмотки якоря) и электронной Ту (характеризующей запаздывание, обусловленное инерционностью УПУ) постоянных времени, либо при низких скоростях вращения, например, в моментных двигателях. Основные особенности ЭП с моментными ВД малой мощности [10, 11,92,95]:
Значительная перегрузочная способность за счет отсутствия щеточно-коллекторного узла, применения практически не размагничивающихся редкоземельных магнитов и обращенной конструкции двигателя, благодаря которой все тепло выделяется в статоре. Вследствие этого допускается интенсивное использование привода, подразумевающее отсутствие номинальных режимов, то есть, например, двигатель может работать в любой точке механической характеристики. При этом ограничения обусловлены максимально-допустимой температурой обмотки и пиковым значением тока якоря. Таким образом, ЭП с ВД при обеспечении необходимого отвода тепла способны работать в режиме длительных предельных токов на протяжении всего срока службы, обеспечивая нелимитированиую частоту пусков и реверсов, форму и частоту тока в обмотке СЭМП, величину момента инерции и закон изменения момента нагрузки.
Большая гибкость и многофункциональность, а также, при включении привода в состав системы автоматического управления, программируем ость, под которой понимается допустимость изменения режимов работы электромеханического преобразователя, возможность изменения характеристик за счет переключения схемы обмотки якоря, формы и амплитуды фазных напряжений, конструкции тсплоотвода. Таким образом, благодаря возможности программирования при непрерывном и дискретном режимах управления, можно изменять свойства привода посредством изменения схемы соединения обмоток СЭМП.
Благодаря линейности характеристик и малым величинам постоянных времени имеется возможность построения высококачественных систем управления с широким диапазоном регулирования, высокими быстродействием и точностью.
Способность работать в особо тяжелых условиях эксплуатации на протяжении практически всего срока службы.
Значительное снижение трудоемкости изготовления и сборки, а также стоимости разработанной машины в эксплуатации, благодаря простоте, технологичности и легкой автоматизируем ости конструкции самого двигателя и датчиков.
Возможность встраивания в объект управления, что находит широкое применение не только в безредукторных, но и в редукторных, особенно многодвигатсльных ЭП, а также при наличии специальных требований по подшипникам и теплоотводу.
В ЭП с ВД малой мощности при непрерывном управлении возможны варианты обратной связи: по току, положению и скорости [106]. Каждый из этих вариантов требует введения в функциональную цепь ЭП соответствующих датчиков или наблюдателей. В качестве датчиков тока в замкнутых автоматизированных схемах ЭП с ВД малой мощности широко используются шунты, позволяющие получить сигналы, пропорциональные фазным токам машины. В некоторых схемах в качестве датчиков используются трансформаторы тока, что позволяет осуществить потенциальное разделение силовых цепей и цепей управления [105].
Датчики положения ротора (ДПР) предназначены для непрерывного или дискретного измерения угла поворота ротора СЭМП. В качестве ДПР могут применяться любые серийно выпускаемые датчики, например, вращающиеся трансформаторы, потенциометры и др. Датчики положения ротора подразделяются на аналоговые, (например, индукторные датчики), импульсные (индуктивные, оптические обтюраторные, датчики с элементами Холла), кодовые (фотоэлектрические и магнитные абсолютного отсчета, накапливающие датчики) [96].
Датчики скорости (тахогенераторы) представляют собой специализированные электрические машины небольшой мощности, ЭДС на выходе которых пропорциональна скорости вращения вала. В зависимости от принципа действия различают тахогенераторы постоянного тока, синхронные и асинхронные. Применение последних для измерения скорости вращения роторов ВД является более предпочтительным, поскольку рассматриваемые машины должны отвечать требованиям бес контактности.
В современных ЭП практикуется принцип единого информационного обеспечения, согласно которому вся необходимая для нормального функционирования системы информация о механических параметрах
26 преобразователя, снимается с единственного датчика. Так, например, накапливающий датчик на валу двигателя позволяет измерять как скорость вращения, так и угловое положение ротора ВД.
Накапливающие датчики, называемые также инкрементальными или эпкодерами, предназначены для преобразования углового перемещения в последовательность электрических сигналов, содержащих информацию о величине и направлении этих перемещений и пригодных для последующей обработки в устройствах числового программного управления или устройствах цифровой индикации, являющихся накопителями сигналов датчика (двоичными счетчиками), выдающими на выходе абсолютный код положения ротора. В основе работы указанных датчиков лежит принцип фотоэлектрического сканирования штриховых растров. В качестве осветителей используются евстолиоды, а приёмниками излучения служат фотодиоды [98].
Классический накапливающий датчик содержит кодовую маску (измерительный лимб), с нанесёнными на неё тремя импульсными дорожками, как показано на рис. 1.5. Взаимно квадратурные каналы 1 и 2 несут информацию непосредственно об угле поворота, а их соотношение отражает текущее направление вращения. При этом число меток, прошедшее за фиксированный период может быть интерпретировано, как скорость. Возможные пропуски в подсчёте импульсов, обусловленные, например, помехами, позволяет устранить репериый канал, (называемый также индексным, опорным или референтным), по которому удобно производить обнуление внешнего счётчика импульсов.
Современные инкрементальные датчики содержат до 20 тыс. меток (в каждом канале) на 1 оборот. Учитывая, что импульсы могут быть просчитаны по обоим фронтам сигнала, общее количество получаемых сигналов увеличивается в два раза.
Благодаря очевидному удобству работы с эпкодерами при использовании цифровых средств управления, (например, микроконтроллеров), последние всё чаще оснащаются входами, специально предназначенными для подключения рассмотренных датчиков. Примером таких систем может служить микроконтроллер Motorola DSP56F805, обеспеченный модулем «декодера квадратуры». Главным недостатком датчика является вероятность потери информации, а также достаточно высокая чувствительность к механическим повреждениям.
Реперная метка
Кодовая маска
Канал 1 Канал 2
,1 оборот,
*4 -Ьі
ЛЛІГ
TLZT
Рис. 1.5. Накапливающий датчик.
—г—і—+—t-
і і і і
-+—і—+—|-
Дкв(/)А-
t-—I—+—I—і 1—I—-t—1 1—і—1—
II I I I I I I I I I I II І І І І І і I I I I
.4-—I +—I І 1 1—4 \ 1 1—+—
I I I I I
Рис. 1.6. Квантование фазного напряжения по времени: а — желаемая форма, — реальная форма, в — высокочастотная помеха квантования
Синхронный электромеханический преобразователь совместно с датчиками угла и скорости составляют электромеханическую часть ВД. Остальные узлы, в том числе вспомогательные цепи питания, преобразования, контроля и диагностики, относятся к электронным компонентам ВД, объединяющим усилительное и преобразовательное устройства, конечная цель которых — создание тока определённой формы на обмотках якоря.
Центральным узлом усилительно-преобразовательного устройства (УПУ) является преобразователь координат (ПК), структура которого зависит от вида вводимой в него информации об электрическом угле поворота ротора СЭМП. Входящий в состав УПУ усилитель мощности используется для преобразования информационных сигналов в силовые.
По принципу действия усилителя мощности различают широтно-импульсные преобразователи (инверторы тока или напряжения и непосредственные преобразователи частоты) и линейные усилители мощности (усилители напряжения и усилители тока). По типу силовых элементов различают тиристорные и транзисторные усилители мощности. Тиристорные усилители и усилители на основе транзисторов IGBT применяются, как правило, в машинах большой мощности. В вентильных двигателях малой мощности при напряжении до 100 В целесообразно применение усилителей на основе маломощных полевых транзисторов MOSFET [33]. Транзисторные широтно-импульсные преобразователи (ШИП) обладают неоспоримыми преимуществами в коэффициенте полезного действия и удельных показателях, однако уступают линейным усилителям в полосе пропускания и линейности характеристики. Кроме того, к недостаткам ШИП следует отнести сложность схем, высокий уровень создаваемых помех и наводок (способный нарушить функционирование цифровых, индикаторных и других устройств), трудности введения обратных связей по току и напряжению, а также сложность обеспечения надежной работы в широком температурном диапазоне [96].
Важным преимуществом ШИП при разработке шагающего робота является малый габарит получаемой усилительной системы, пригодный для встраивания в прилегающие к суставам части робота без нарушения их габаритов, обусловленных пропорциями, выбранными из соображений механики.
Помимо ПК и УМ, УПУ должно содержать схему статической коррекции характеристик (СКХ), предназначенную для уменьшения нелинейности характеристик ВД и снижения его тока потребления посредством компенсации электронной Ту и электромагнитной 7ф постоянных времени [92, 100]. В настоящее время функции ПК и СКХ вес чаще выполняют микроконтроллеры.
В работе [106] было рассмотрено влияние электронной и электромагнитной постоянных времени на динамику системы стабилизации скорости с ВД. При этом СКХ позволила значительно улучшить переходные процессы. Однако неисследованным остаётся вопрос о влиянии нелинейности механических и регулировочных характеристик ВД па динамику следящего ЭП и эффекте, оказываемом при этом СКХ.
1.4 МИКРОКОНТРОЛЛЕРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ BEI ПИЛЬНЫМИ
ДВИГАТЕЛЯМИ.
Появление в 1971 году первого микропроцессора ознаменовало собой начало эры высокопроизводительных и надежных цифровых встраиваемых систем управления [64, 73, 78, 105, 138], Постоянно растущие требования к диапазону регулирования координат ЭП, его функциональным возможностям, надёжности и стоимости, а также новые достижения электроники и микроэлектроники определили появление нового вида микропроцессорной техники — микроконтроллеров для управления двигателями (от англ. Motor Control) [105]. Эти ориентированные на применение в ЭП средства позволяют рсализовывать высокоэффективные встроенные системы цифрового управления. При использовании микропроцессоров изменение алгоритма функционирования схемы сводится к замене одной части программы на другую, что позволяет существенно уменьшить время па перенастройку схемы управления [26, 105].
Можно выделить два способа управления ВД — аналоговое и микропроцессорное. В первом случае для вычислений используются аналоговые средства, например, вращающийся трансформатор для преобразования координат, а электроника выполняет лишь функцию преобразования получаемого квадратурного сигнала в синусоиды. Несмотря на высокую точность управления, такие системы
оказываются весьма неэкономичными и дорогостоящими. При микропроцессорном управлении большинство, а в последних разработках все вычисления возлагаются на микропроцессор. Такие системы обладают достаточной точностью для подавляющего большинства приложений, а их стоимость значительно меньше, чем у подобных систем с аналоговым управлением.
Наиболее распространёнными средствами микропроцессорного управления являются промышленные компьютеры, микроконтроллеры общего назначения и сигнальные процессоры [17, 63, 126, 176].
Основным недостатком промышленных компьютеров, делающих невозможным их использование для управления суставами робота, является «медленный» старт/рестарт (десятки секунд). Другими недостатками промышленных компьютеров для систем управления является медленное выполнение арифметических операций, медленная работа типовой PC-периферии, высокая стоимость и проч.
Применение микроконтроллеров, предназначенных для эффективной работы в системах управления, позволяет избавиться от перечисленных недостатков. Такие контроллеры, построенные на современных микропроцессорах, обладающих мощной системой команд и позволяющих эффективно обрабатывать прерывания, оснащены необходимыми для управления ЭП наборами периферийных устройств. Время старта/рестарта системы по включению питания не превышает нескольких микросекунд.
Если для решения задачи требуется реальное время при большом объёме вычислений, наиболее удобно использовать сигнальные процессоры, мощная архитектура которых ориентирована на цифровую обработку сигналов.
Микроконтроллер, предназначенный для управления такой сложной системой, как ЭП с ВД, должен отвечать определённым требованиям по быстродействию и обеспечиваемым интерфейсам [92]. Например, при синхронной частоте вращения ВД 200 Гц, период изменения напряжения составляет 5 мс (рис. 1.6, а). Применение микроконтроллера подразумевает наличие дискретности, которая определяется его быстродействием [130]. Чем меньше период дискретности, тем ближе к синусоиде форма управляющего напряжения. Как видно, при 10 тактах на период изменения напряжения, период дискретности составляет 500 мкс и получаемый сигнал имеет
31 ступенчатую форму (рис. 1.6, б). За это время должен быть произведён полный цикл обработки выходных сигналов и преобразования их в управляющие. Погрешности, возникающие в результате замены аналогового сигнала рядом квантованных по времени отсчётов, можно рассматривать, как искажения, вызванные воздействием высокочастотной помехи квантования (рис. 1.6, в), представляющей собой разность соответствующих значений желаемого и дискретного сигналов. Такой подход может быть полезным, например, при моделировании ВД с микропроцессорным управлением [48, 106].
На практике для обеспечения приемлемого уровня высокочастотной помехи квантования требуется не менее 100 тактов на период изменения напряжения. При этом в рассматриваемом примере период дискретности составит 50 мкс. На каждую операцию, выполняемую микроконтроллером, (к числу которых в общем случае относятся ПК, ПЧФ, СКХ и динамическая коррекция, а также обработка алгоритмов защиты и диагностики системы), отводится фиксированный интервал времени. Как показано в работах [33, 92, 95, 98], для обеспечения указанного быстродействия подходят только микроконтроллеры и сигнальные процессоры.
Вместе с тем, устройство, обеспечивающее управление ВД, должно отвечать требованиям по периферии (интерфейсу). Различают 3 группы интерфейсов: входные, датчиковыс и выходные. Входной интерфейс, например, для ввода информации от кодовых датчиков, может быть обеспечен с помощью параллельных портов. Для реализации интерфейса с аналоговыми датчиками в микроконтроллере должны быть предусмотрены блок ЛЦП (ввод информации от датчиков амплитуды — потенциометров, вращающихся трансформаторов), сопроцессор событий (ввод информации от датчиков фазы — фазовращателей и частоты — импульсных датчиков), сопроцессор прерываний (ввод информации от релейных датчиков — датчиков температуры) и другие средства. Выходной интерфейс может быть реализован, например, с помощью блока широтно-импульсной модуляции.
На практике для микропроцессорного управления ВД наиболее широко применяются 1б-ти-разрядиые микроконтроллеры и сигнальные процессоры, такие как представители семейств MCS-X96 фирмы Intel, С16х фирмы Siemens, DSP56F80x и 68НС16 фирмы Motorola, ADMCxxx фирмы Analog Devices [203, 205, 206]. Сравнительная таблица некоторых микроконтроллеров но быстродействию и набору
32 периферийных устройств, необходимых для функционирования ВД, приведена в приложении 2, откуда следует, что микроконтроллер Motorola DSP56F805 обладает наибольшим набором периферии и является самым быстродействующим из приведенных устройств. Рассмотрим указанный микроконтроллер подробнее.
Микроконтроллер DSP56F805 является представителем семейства 16-разрядных микроконтроллеров фирмы Motorola, специально предназначенных для цифрового управления двигателями [164]. Основой DSP56F805 является ядро DSP56800, являющееся программируемым 16-разрядным процессором, предназначенным для ЦОС в реальном масштабе времени имеет производительность 40 миллионов инструкций в секунду при частоте кварцевого генератора 80 МГц.
Обобщённая архитектура ЦПОС образуется тремя составляющими: процессорным ядром, подсистемами ввода/вывода и хранения [81, 125, 164]. Основу процессора составляют три параллельно работающих модуля: арифметико-логическое устройство, устройство генерации адреса и устройство программного управления, что позволяет организовать эффективную конвейерную обработку команд. Память DSP56F805 организована по гарвардской архитектуре, подразумевающей наличие двух независимых адресных пространств для кода программы и данных.
К периферийным модулям DSP56F805, позволяющим проектирование приложений без дополнительного микроконтроллера общего назначения относятся:
Декодер квадратуры (Quadrature Decoder) для приёма информации от кодовых датчиков. Имеет в своем составе счетчики положения, числа оборотов и разности положений, а также входной фильтр импульсных помех и специализированный сторожевой таймер, позволяющий устанавливать факт остановки двигателя.
Модуль квадратурного таймера, представляющий собой совокупность четырех идентичных 16-разрядных групп таймеров.
Сдвоенный модуль аналогово-цифрового преобразования (АЦП), содержащий два четырёхканальных мультиплексора, два устройства выборки и хранения и два 12-разрядных АЦП с минимальным временем преобразования 1,2 мкс. Модуль позволяет сохранять до восьми результатов сканирований. Имеется возможность задавать последовательный или параллельный режимы работы двух АЦП.
Два шестиканальных модуля шир отно-им пульси ой модуляции (ШИМ) с возможностью фронтовой и центрированной модуляции, программированием длительности «мертвого времени». Модуль способен генерировать независимые и комплиментарные сигналы.
Последовательный асинхронный интерфейс, позволяющий выполнять обмен данными в дуплексном или в полудуплексном режиме. Скорость обмена программируется с помощью 13-разрядиого делителя тактовой частоты. Имеется возможность генерации 8 различных прерываний.
6. Последовательный периферийный интерфейс, позволяющий осуществлять
синхронный обмен данными с использованием четырех стандартных выводов. 7.
Последовательный синхронный интерфейс.
8. Два программируемых входа внешних прерываний.
9. Четырнадцать программируемых и восемнадцать мультиплексированных
универсальных портов ввода/вывода (GPIO).
Вход принудительного сброса процессора.
Порт JTAG/OnCE (встроенного эмулятора).
Программируемый генератор тактовых импульсов ядра.
Сторожевой таймер контроля функционирования процессора.
Контроллер шины CAN, поддерживающий спецификацию 2.0 А/В фирмы Bosh [66, 132, 164, 192].
Таким образом, существующие средства микропроцессорного управления представляют собой эффективные инструменты для разработки качественных приложений на базе вентильных двигателей. Однако существующие алгоритмы статической коррекции характеристик [92, 104, 106, 162, 148], относятся, главным образом, к аналоговым схемам введения угла опережения ВД для компенсации электромагнитной постоянной времени. Вместе с тем получившие широкое распространение в ВД большой мощности алгоритмы СКХ с компенсацией реактивной составляющей вектора тока статора ij [32, 153, 147, 170, 177, 181, 206, 207], вследствие своей сложности малопригодны для использования в ВД малой мощности. В то же время для ВД малой мощности практически отсутствуют алгоритмы СКХ, удобные при микропроцессорной реализации и учитывающие запаздывание электронной части. При этом известные методики проектирования ЭП с
34 ВД не учитывают этапы выбора и расчета алгоритма СКХ, средства цифрового управления, и, таким образом, нуждаются в существенной переработке.
1.5. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Выполненный в первой главе обзор материалов позволяет сформулировать цель диссертационной работы: разработка структуры и алгоритмов управления вентильным двигателем с использованием сигнального процессора для улучшения статических и динамических характеристик электроприводов шагающего робота. Для реализации этой цели необходимо решить следующие задачи:
Проанализировать основные особенности применения вентильных двигателей в составе электроприводов шагающего робота. Произвести анализ двухфазного и трехфазного вентильных двигателей и схем их включения и управления для выбора наиболее подходящих вариантов с целью использования в электроприводе сустава шагающего робота. Предложить методику расчёта параметров вентильного двигателя при различных схемах включения. Произвести анализ существующих математических моделей, пригодных для описания вентильных двигателей малой мощности с учётом влияния их параметров. Разработать математическое описание процессов вентильного двигателя, учитывающее электронную постоянную времени и вход ;іля введения статической коррекции характеристик. Составить полную модель трёхфазного вентильного двигателя, позволяющую выполнить моделирование в выбранной программе, получить статические характеристики вентильного двигателя малой мощности для конкретных случаев: при учёте электронной и электромагнитной постоянных времени, насыщения усилителей мощности и трения.
Разработать алгоритм статической коррекции характеристик, учитывая выявленные особенности применения вентильных двигателей в составе электроприводов шагающего робота. Проанализировать и оценить влияние постоянных времени вентильного двигателя на его статические характеристики. Оценить влияние выбранного алгоритма статической коррекции характеристик па механические и регулировочные характеристики с помощью моделирования.
3. Рассмотреть возможные варианты динамической коррекции следящего
электропривода с учётом особенностей вентильного двигателя. Оценить влияние
35 нелинейности характеристик вентильного двигателя на динамические свойства электропривода и установить эффективность действия статической коррекции характеристик на динамические характеристики следящего электропривода.
4. Разработать общую методику проектирования вентильного двигателя с
управлением от сигнального процессора для следящей системы шагающего робота.
Предложить общую методику испытаний вентильных двигателей малой мощности и
электроприводов с ними.
5. Реализовать экспериментальную установку и определить параметры её основных
узлов для учёта их при моделировании. Провести экспериментальные исследования и
испытания, подтверждающие адекватность созданной модели, влияние статической
коррекции характеристик па характеристики вентильного двигателя и всего
следящего электропривода. Сравнить с помощью экспериментальных исследований
программы управления двухфазным и трёхфазным вентильными двигателями,
определить время, затрачиваемое сигнальным процессором на обработку основных
алгоритмов управления вентильным двигателем и электроприводом.
