Лекція № 14 . Синтез систем керування ЕП промислових роботів.

У першій частині лекції була розглянута функціональна схема побудови ЕП, яка складається з аналогового ЕП і контуру цифрового регулювання положення. Основним типом ЕП, як було відмічено, є ЕП ПТ з високомоментним двигуном і напівпровідниковим перетворювачем.

Перспективні розробки ЕП напрямлені на збільшення максимальної швидкості у більшому діапазоні зміни моментів, із покращенням масово–габаритних показників. Усе більше розповсюдження в ЕП ПР знаходять безколекторні двигуни (вентильні).

До особливостей ЕП ПР, що випускаються вітчизняною і зарубіжною промисловістю, слід віднести у першу чергу розширений до 0,05 Нм діапазон малих моментів, максимальної швидкості підвищені до (10…15)×10³ об/хв, зменшену інерцію двигунів, можливість вбудовування у двигун електромагнітних гальм і різних датчиків, а також механічних і хвильових передач.

При розробці ЕП із окремих елементів основною задачею правильний вибір і компоновка елементів у залежності від вимог до ЕП.

14.2. Вибір системи керування ЕП ПР

Розглянемо методику вибору системи керування ЕП і її елементів на прикладі універсального складального робота “Електроніка НЦТМ–30”.

Цей робот відноситься до роботів з багатоланковою рукою і призначений для виконання різних складальних операцій з деталями та вузлами масою до 1 кг.

Основні технічні характеристики:

– призначення – універсальний,

– ном. вантажопідйомність – до 1 кг,

– число ступенів рухомості – 7,

– число рук захватів на руку – 1/1,

– тип приводу – електричний,

– пристрій керування – 1801ВМ1,

– похибка позиціювання – ±0,05 мм,

– макс. радіус зони обслуговування – 500 мм,

– маса – 35 кг.

Функціональна схема керування робота.

Рис.14.1. Функціональна схема універсального складального робота “Електроніка НЦТМ–30”.

До складу схеми керування робота входять:

– центральний обчислювальний пристрій (ЦОП), функцією якого є розв’язок траєкторних задач і видача установок на ЕП,

– два обчислювальних пристрої (ВЧ1 і ВЧ2), кожен з яких здійснює керування трьома приводами (блоки Б1 і Б2),

– у якості перетворювача використовується широтно–імпульсний перетворювач ШИП, що здійснює перетворення код – довжина імпульсу.

– виконавчі механізми (М) – двигуни постійного струму, що здійснюють переміщення маніпулятора,

– датчики кута (ДК) – перетворюють кутове переміщення вала М у число імпульсів,

– пристрій електроавтоматики (ЕА), призначений для включення і відключення пристроїв робота, не зв’язаних з його переміщенням.

Зв’язок між ВЧ1 і ВЧ2 може здійснюватися тільки через ЦОП).

Для керування роботом з заданими показниками якості необхідно мати в структурі керування кілька контурів підпорядкованого регулювання, такі як контури регулювання швидкості і положення. При цифровому регулюванні відпадає необхідність у 2–х датчиках (швидкості і положення), достатньо мати датчик положення, а інформацію про швидкість можна отримати шляхом диференціювання сигналу положення. Операція диференціювання реалізується у ВУ (ПІД – регулятор).

14.3. Структурна схема каналу керування “Електроніка НЦТМ–30”

Структурна схема побудована відповідно до функціональної схеми (рис.14.1.). У загальному випадкові всі 6 приводів зв’язані між собою. Багатозв’язність системи керування робота проявляється у зміні моментів інерції кожного складу внаслідок зміни конфігурації робота в процесі руху. У явному вигляді показати вплив одного ЕП на інший неможливо, тому дослідження проводяться на окремих, не зв’язаних між собою ЕП, ураховуючи при цьому, що постійні часу ОУ кожного привода змінюються від мінімуму до максимуму.

– математичною моделлю ВУ є послідовне з’єднання нелінійного елемента квантування за рівнем (НЕ), імпульсного елемента (ІЕ) з тактом Т і фіксатора нульового порядку з передавальною функцією , де Т – такт поновлення інформації на виході обчислювального пристрою ;

– ВУ визначає сигнал розузгодження почергово для 3–ох приводів, тому такт поновлення інформації Т дорівнює часу обробки інформації по трьох приводах.

– ШИП здійснює перетворення кодових сигналів із діапазону чисел від 0 до 256 у тривалість імпульсів. Причому якщо на вході 0, то на виході формується імпульс від’ємної полярності й максимальної тривалості, рівний періоду слідування імпульсів ШИП. При сигналі на вході 256 формується імпульс додатної полярності максимальної тривалості. При сигналі 128 – на виході ШИП формується за період два різнополярних імпульси однакової тривалості. Сума тривалості різнополярних імпульсів при будь-якому вхідному сигналі з діапазону 0–256 дорівнює періоду слідування імпульсів. Структурно ШИП представлений послідовними з’єднаннями нелінійного елемента типу обмеження (НЕ2) з порогом обмеження Δ = 128 і широтно-імпульсного модулятора (ШИМ) ІІ роду з Δ = 128 і δ_n = 1 (амплітуда імпульсів);

– двигун являє собою нелінійність типу “зона нечутливості” (НЕ3) та двома аперіодичними ланками з електричною постійною Т_е й електромеханічною постійною Т_м з коефіцієнтом підсилення, рівним максимальному моменту М_дв, що розвиває двигун при максимальній тривалості імпульсів ШИП. Зона нечутливості двигуна, зумовлена моментами тертя у підшипниках і передавальним коефіцієнтом К, задає статичний коефіцієнт перетворення моменту в кутову швидкість обертання вала двигуна;

– передавальна функція W_мс(р) – відображає механічні властивості робота, приведені до вала двигуна і є передавальною функцією швидкості, й тому не має нульових полюсів. Для врахування взаємного впливу приводів уведено дію Q, що характеризує геометрію робота.

– цифровий датчик кута являє собою передавальну функцію К_д/р та нелінійність квантування за рівнем. Поріг квантування є таким же, як й у ВУ, тому квантування за рівнем датчика враховано нелінійністю НЕ1;

– момент навантаження, приведений до вала двигуна, відображений дією М_вал. Оскільки момент навантаження прикладений до вала через редуктор з коефіцієнтом редукції, то люфт редуктора враховано нелінійностями НЕ4 та НЕ5.

– переміщення маніпулятора Х_м здійснюється відповідно до вставки Х_у, що подається з ВУ.

Мінімальна усталена похибка цієїї системи керування визначається за рівнянням:

,

де k₁ = n/(60M_дв), n – частота обертання двигуна, об/хв.

Реальна похибка більша за рахунок незбалансованості робота, люфтів, зон нечутливості та інших неврахованих факторів.

Як видно з цього виразу, усталена похибка пропорційна моменту збурення, що прикладений до вала двигуна (податливість), обернено пропорційна максимальному моменту, котрий розвиває двигун М_дв , і крутизні регулятора. Тому для усунення похибки слід передбачити при проектуванні регулятора інтегральний закон регулятора.

Використання цифрового обчислювального пристрою (ЦВУ) для керування ЕП робота дозволяє виключити із розроблюваної конструкції датчик швидкості, побудувавши контур регулювання за швидкостю за рахунок диференціювання ВУ сигналу з виходу ДУ, тобто необхідний закон регулювання може бути реалізований цифровим ПІД-регулятором (рис.3). Податливість у цьому випадку рівна 0.

Але при використанні ПІД-регулятора у системі зі зворотним зв’язком по положенню при ступінчастій зміні вставки (х_у) відбувається ступінчаста зміна помилки розузгодження ε_р, що приводить до виникнення на виході диференціювальної ланки ПІД-регулятора імпульсного сигналу великого значення і не забезпечує плавне керування приводом робота, викликаючи недопустимі швидкісні перевантаження механічних вузлів робота.

Для усунення цього недоліку слід формувати вставку керування ЕП з подальшим її інтегруванням.

Рис. 14.3. Структурна схема ЕП ПР з ПІД-законом регулювання

Рис.14.4. Структурна схема ЕП робота “Електроніка НТЦМ–30” з ПІД–регулятором і вставкою по швидкості.

(Схема рисунка14.4,б відповідає СУ із зворотним зв’язком за швидкістю, у якій на вхід подається сигнал, пропорційний швидкості руху по траєкторії, і при цьому на вході ПІД-регулятора формується сигнал, пропорційний похибці по положенню).