ТАУ (курс 3, сессия 1)_МГОУ / Учебник тау / Глава 20

непрерывную форму. Для выработки управляющего сигнала МП должен выполнить некоторый объем вычислений, определяемый его программой и отвечающий данному алгоритму и принятому численному методу. Эти вычисления должны быть выполнены в течение времени τ<Т. Величина τ и требуемый объем вычислений определяют необходимое быстродействие МП, который, являясь дискретным устройством, делает дискретной и всю систему в целом. В тракте автоматической системы, включающем МП, присутствуют сигналы, квантованные по времени и по уровню, что сопровождается потерей информации, дополнительными ошибками, обусловленными следующими факторами: потерей информации вследствие квантования входного воздействия по времени; использованием численных методов для реализации в МП алгоритмов (законов) управления, содержащих операции дифференцирования и интегрирования; неидеального процесса восстановления дискретных сигналов, вырабатываемых на выходе МП; эффектом квантования информации по уровню.

20.2. Задачи разработки и реализации МПС ЭП

Специфика проектирования микропроцессорных устройств управления электроприводами заключается в том, что они относятся к классу цифровых систем автоматического управления. Исследование и расчет таких систем представляет собой более сложный и трудоемкий процесс по сравнению с проектированием аналоговых систем непрерывного действия, что обусловлено квантованием сигналов в цифровых системах по времени и по уровню. Вместе с тем разработчику микропроцессорных систем управления необходимо, помимо расчета цифровых контуров, решать не менее сложные вопросы, связанные с выбором структуры системы управления и конкретных технических средств ее реализации, а также с разработкой соответствующего алгоритмического и программного обеспечения [3-13].

Проектирование сложной технической системы предполагает расчленение ее на некоторые функционально законченные подсистемы. При этом для успешного выполнения проектных работ важно уже на начальном этапе иметь общее представление о структуре как системы в целом, так и отдельных ее подсистем. При использовании в системе микропроцессорных средств важно установить взаимосвязь структуры с соответствующим алгоритмическим обеспечением.

Система управления промышленным электроприводом в общем случае должна обеспечивать:

• прием и интерпретацию команд, поступающих от человека-оператора и/или управляющей системы более высокого уровня;

• управление движением исполнительного механизма в соответствии с заданной программой;

• формирование команд на обслуживаемое приводом технологическое оборудование;

• контроль за выполнением технологической операции на данном технологическом модуле.

Особенности проектирования электроприводов с микропроцессорным управлением

При проектировании электроприводов с микропроцессорным управлением следует учитывать три группы особенностей.

Первая связана с тем, что управление отдельными приводами является составной частью более общей задачи управления системы в целом. Поэтому при построении исполнительного уровня, реализующего управление электроприводами, необходимо учитывать его взаимодействие с другими уровнями системы управления и, прежде всего, с тактическим уровнем. При разработке алгоритмического обеспечения и его программной реализации это требует установления определенных правил обмена данными, так называемого протокола обмена, между иерархическими уровнями управления с учетом объема данных, последовательности и времени их поступления, приоритетности и т.п.

При определении законов управления электроприводами учитывается характер изменения задающих воздействий на приводы, формируемых на тактическом уровне. Так, в силу сложности решения задачи планирования действий промышленного робота (ПР) может оказаться, что сигналы задающих воздействий поступают на исполнительный уровень с низкой частотой, не удовлетворяющей требованиям к динамике приводов ПР [3-14].

При выборе аппаратных средств системы управления следует определить потребности в объеме памяти и затратах процессорного времени, необходимых для реализации исполнительного уровня, и оценить возможность совмещения решения задач планирования действий робота и управления его приводами на одном МК или необходимость распределения этих задач на автономные микропроцессорные модули.

Вторая группа особенностей связана со спецификой проектирования исполнительного уровня системы (например, ПР) с позиции теории автоматического управления.

Третья группа особенностей проектирования электроприводов с микропроцессорным управлением связана с тем, что устройство управления приводом можно рассматривать как специализированный микропроцессорный модуль. Это требует решения вопросов выбора элементов базы и определения архитектуры модуля. В этом случае необходимо выбрать конкретный тип микропроцессора, оценить потребности в объемах для хранения данных и программ и подобрать соответствующие элементы постоянной и оперативной памяти. Кроме того, необходимо организовать интерфейсы для подключения к микропроцессорному модулю внешних устройств (исполнительных элементов привода, датчиков обратной связи, концевых выключателей и т.п.) и для включения самого модуля в вычислительную систему, в целом реализующую систему управления электроприводом. Наконец, необходимо создать и отладить программное обеспечение микропроцессорного модуля, соответствующее выбранным алгоритмам управления приводом.

20.3. Выбор сопряжения цифровой и аналоговой частей системы управления

Рассмотрим исполнительный уровень системы управления электроприводом на примере робототехнической системы, которая представляет собой многоконтурную систему управления, каждый отдельный контур которой является цифровым следящим приводом (ЦСП) и имеет в общем случае структуру, показанную на рис.20.1 [3-14].

Рис.20.1. Функциональная схема следящего привода с цифровым управлением

Цифровую часть привода составляет микроЭВМ или специализированный программируемый микропроцессорный контроллер (МК), который выполняет следующие функции:

• задающего устройства, связанные с формированием законов движения привода g(t);

• чувствительного элемента привода, связанные с определением рассогласования между заданием на привод g(t_k) и его текущим положением y(t_k);

• цифрового регулятора (ЦР) положения или скорости, связанного с вычислением управляющего сигнала U(t_k), обеспечивающего обработку приводом заданного ему движения.

Аналоговая часть привода включает в себя усилительно-преобразовательный элемент (У), датчик главной обратной связи (ДОС) и исполнительный элемент (ИЭ), состоящий из двигателя и редуктора и приводящий в движение управляемое данным приводом кинематическое звено (КЗ) манипулятора. С помощью датчика скорости (тахогенератора, фотоимпульсного датчика и т.п.), устанавливаемого на валу исполнительного двигателя, образуется демпфирующая обратная связь по скорости.

Сопряжение управляющей микроЭВМ с аналоговой частью цифрового привода осуществляется в прямом контуре с помощью преобразователя КОД–АНАЛОГ (ПКА), а в контуре обратной связи – с помощью преобразователя АНАЛОГ–КОД (ПАК).

В зависимости от вида усилительно-преобразовательного элемента в качестве ПКА наиболее часто используются:

• цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), выполняющие преобразование цифрового кода управляющего сигнала в напряжение соответствующей величины и полярности;

• преобразователи КОД-ШИМ, осуществляющие формирование импульсного сигнала с постоянной амплитудой и частотой, модулированного по длительности в зависимости от кода входного сигнала;

• преобразователи КОД-ЧИМ, формирующие на выходе импульсные сигналы постоянной амплитуды, частота следования которых определяется значением входного цифрового кода.

Преобразователь АНАЛОГ-КОД необходим лишь в случае использования в приводе аналогового датчика главной обратной связи. Наибольшее распространение среди аналоговых получили индукционные, фазовращательные и потенциометрические датчики. При этом в первом случае физическая реализация ЦАК связана с определением сдвига между фазами аналоговых сигналов, поступающих из датчика в зависимости от угла поворота ИЭ, и преобразованием его в унитарный или цифровой код. Во втором случае применяют аналого-цифровые преобразователи (АЦП), преобразующие напряжение, снимаемое с потенциометра, в соответствующий цифровой код.

В последнее время в качестве ДОС в электроприводах чаще используют датчики дискретного типа (импульсные и кодовые), не требующие применения ПАК в системе управления. Это не означает, что полностью отпадает необходимость в устройствах сопряжения ДОС с управляющей микроЭВМ. В этом случае они должны осуществлять согласование параметров сигналов с ДОС со стандартом шины микроЭВМ (или МК) и при необходимости буферизацию данных, поступающих от ДОС.

Часто на выходных валах приводов промышленных роботов устанавливаются тормозные муфты (ТМ), позволяющие жестко фиксировать положение выходного вала привода. Управление такими муфтами осуществляется дискретными сигналами с помощью специального блока электроавтоматики (БА).

Наиболее существенной особенностью рассматриваемого привода является наличие в его контурах управления информации как аналогового, так и цифрового вида. При проведении инженерных расчетов приводов со встроенными микропроцессорами приходится учитывать также специфические эффекты, как квантование сигналов по времени и по уровню, что обусловлено наличием цифровой части в системе управления приводом. Кроме того, в системе появляется запаздывание, вызванное конечным временем вычислений, производимых в микропроцессорном устройстве. Возможно также, что в цифровой части присутствуют различные сигналы с разной скоростью. Такую цифровую систему необходимо рассматривать как многочастотную, т.е. имеющую цифровые контуры, функционирующие с различными периодами дискретности.

Проектирование следящего электропривода с микропроцессорным управлением представляет собой комплексную задачу, в решении которой можно выделить следующие этапы:

1. Выбор законов управления приводом и определение структуры ЦСП.

2. Исследование динамических свойств привода и расчет параметров выбранной структуры ЦСП в соответствии с требованиями к динамике привода.

3. Разработка алгоритма прямого цифрового управления приводом на основе выбранных законов управления и с учетом всех задач, возлагаемых на МК на исполнительном уровне системы управления электроприводом.

4. Определение архитектуры микроконтроллера при реализации исполнительного уровня с помощью автономных микропроцессорных модулей.

5. Создание и отладка программного обеспечения управляющей микроЭВМ.

100