Устройство для программного управления позиционированием

 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для получения и контроля прецизионных перемещеннй. в частности в манипуляторах, роботах , координационных столах, автоматических гониометрических устройствах и т.п. Пель изобретения-упрощение устройства и повьшение его быстродействия , Устройство содержит блок ввода, преобразователь код-частота, блок выделения разностного сигнала, блок коррекции положения, два запоминающих устройства, блок электрического дробления шага, фазные усилители мощности, шаговый двигатель, исполнительный механизм, реверсивный счетчик, датчик нулевого положения и триггер. Блок вьщеления и преобразования ЭДС вращения содержит усилители , коэффициент усиления которых (Л равен коэффициенту усиления фазных усилителей мощности, дифференциальные усилители, фильтры нижних частот, узел выделения минимального сигнала, S компаратор и источник опорного напряжения . 1 3.п, ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (50 4 G 05 В 19/18.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3857564/24-24 (22) 20.02.85 (46) 30.10.86. Бюл. й- 40 (71) Ордена Трудового Красного Знамени институт сверхтвердых материалов

АН УССР и Киевское проектно-конструкторское бюро автоматизированных систем управления (72) А.В. Золотухин, А.П. Мантуло и Ю.Н. Потемкин (53) 62-55(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 909784, кл. H 02 P 8/00, 1980.

Авторское свидетельство СССР

Ф 932462, кл. G 05 В 19/18, 1980.

Международная заявка PCTWO

82/01601, кл. G 05 В !9/19, 1982. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОГРА1Ф!НОГО

УПРАВЛЕНИЯ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕМ (57) Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и моt жет быть использовано для получения и контроля прецизионных неремещеннй, „.,SU„„ А1 в частности в манипуляторах, роботах, координационных столах, автоматических гониометрических устройстI вах и т.п. Цель изобретения-упрощение устройства и повышение его быстродействия, Устройство содержит блок ввода, преобразователь код-частота, блок выделения разностного сигнала, блок коррекции положения, два запоминающих устройства, блок электрического дробления шага, фазные усилители мощности, шаговый двигатель, исполнительный механизм, реверсивный счетчик, датчик нулевого положения и триггер. Блок выделения и преобЮ разования ЭДС вращения содержит усилители, коэффиниент усиления которых (/) равен коэффициенту усиления фазных усилителей мощности, дифференциальные (, усилители, фильтры нижних частот, узел выделения минимального сигнала, 2 комнаратор и источник опорного напряжения. 1 з.п, ф — лы, 2 ил.

1267360!

1IZ; /éZ;

3" ПЕ; /IIZ

J (6) гдеМ,—

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для получения и контроля прецизионных перемещений, в частности в манипуляторах, роботах, координатных столах, автоматических гониометрических устройствах и т.п.

Цель устройства — упрощение устройства и повышение его быстродейст вия, На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 структурная схема варианта реализации блока выделения и преобразования

ЭДС вращения.

Устройство содержит блок ввода 1, программоноситель 2, блок выделения разностного сигнала 3, преобразователь код-частота 4, триггер 5, блок электрического дробления шага 6, усилители мощности 7, блок выделения и преобразования ЭДС вращения 8, шаговый двигатель 9, исполнительный механизм 10, реверсивный счетчик 11, датчик нулевого положения 12, запоминающие устройства 13 и 14, блок коррекции положения 15, в который входит сумматор 16 и перемножитель цифровых сигналов 17, выход 18 устройства, Усилитель мощности 7 содержит фаэные усилители 19-22.

Блок выделения и преобразования

ЭДС вращения 8 содержит усилители 2326, дифференциальные усилители 27-30, фильтры нижних частот 31-34, узел выделения минимального сигнала 35, компаратор 36 и источник опорного напряжения 37, Шаговый двигатель 9 имеет фазные обмотки 38-4!.

Изобретение основано на использовании дискретного электрического привода. Шаг дискретного перемещения

I исполнительного механизма можно записать следующим образом: основной шаг шагового двигателя, погрешность отработки основного шага; передаточное отношение кинематической цепи; значение абсолютной погрешности кинематической цепи; номинальное значение шага дискретного перемещения;

1 „ — погрешность шага дискретного перемещения.

0 = - — — (2); x = «+ -+4p (3)

П Е; (4)

П Z °

1 где Е; — число зубьев ведующих зубчатых колес или число эаходов червяка.;

Z — число зубьев ведомых эубча-! тых (червячных) колес; п — число передаточных звеньев, !

5 9 „L fg 4 ä, ЕЗЮ„ц„(ПЕ)П Е ) (5) где Зц ° — максимальное значение мах! кинематической погрешности передач.

Введем в формулу (1) коэффициент редукции где k — число передаточных звеньев с учетом редукции.

b>! при ken.

Тогда формулу (!) можно переписать

0 +doL

8= = — +Яр

Ь 73х ек где

3q,„=5 Зц,„„(йе;/rrz;)с3,„. (7)

С учетом формул (2), (3) и (6) можно записать номинальное значение шага дискретного перемещения и погрешность шага дискретного перемещения

e,= oc/Ьf>„, (8)

40 (+a /Ь(„+3q (9)

Перемещение на некотором участке можно записать у= 9, m,+ „=И а. /Ь 1„+ьс /Ь „«+

4> где Й вЂ” значение номера шага;

- значение погрешности на S-м шаге с учетом введения электрической редукции; ш — предельное число шагов, обусловливающее диапазон перемещений.

Значение бои не умножается íà N так как шаговый двигатель не накайливает погрешность отработки шагов.

55 Для большого круга задач составляющей погрешности dec /Ь „ можно пренебречь ввиду малости. Таким образом, заданная дискретность переме1267360 щения достигается при меньшем в и/к раз числе передаточных звеньев кинематической цепи и меньшей погрешности перемещения, так как g „

n °

Погрешцость кинематической цепи имеет случайную и систематическую составляющие. Последняя может быть записана в запоминающем устройстве и учтена при корректировании положения исполнительного механизма. 10

Блок электрического дробления шага используется для улучшения качества движения исполнительного механизма и повышения быстродействия двигателя, а также еще и как элемент,!5 способствующий понижению общего козффициента редукции кинематических цепей устройства, а следовательно, и упрощению этих цепей.

Функцию детектора положения может 20 выполнить электронный блок выделения и преобразования ЭДС вращения, который вырабатывает импульсный сигнал при каждом перемещении ротора двигателя. Причем обычный датчик шагов не может справиться с этой задачей, так как дискретность перемещения вала двигателя после дробления шага настолько мала, что требует для измерения применения высокоточного пре-30 образователя угол-код.

ЭДС вращения представляет собой

1 затухающий колебательный процесс, возникающий при каждом перемещении ротора двигателя, модулирующий ступенчатую функцию тока, формируемую при дроблении шага. Максимальная амплитуда ЭДС вращения пропорциональна величине шага и при большом коэффициенте электрической редукции тре- 411 бует усиления и обработки.

В устройстве блок выделения и преобразования ЭДС вращения используется для получения сигналов обратной 45 связи о положении вала двигателя в режиме дробления шага. Блок выделения и преобразования ЭДС вращения используется не только как датчик положения исполнительного механизма, но совместно с триггером как датчик обратной связи, включенный в контур локально-замкнутого шагового привода высокого разрешения, что значительно повышает быстродействие устройства.

Причем при высоком разрешении неконтролируемые пропуски шагов благодаря такому датчику отсутствуют.

Устройство работает следующим сбразом.

Предварительно с заданной дискретностью снимают передаточную характеристику кинематической цепи исполнительного механизма 10 и шагово го двигателя 9. Погрешность Sq киЕК нематических звеньев исполнительного механизма 10 в виде набора дискретных значений, а также погрешность

6М/Ь „ отработки шага двигателя 9 записывают в запоминающее устройство

13 с учетом знака погрешности. Далее программируют запоминающее устройство 14, куда заносят величину номинального значения шага дискретного

0 перемещения 6 = — — — . При наличии

О r3(55KK энергозависимой памяти состояния реверсивного счетчика 11 операцию вывода исполнительного механизма 10 в исходкое состояние производят вначале при наладке устройства и в дальнейшем датчик нулевого положения 12 в работе не участвуют. В исходное состояние, при котором срабатывает датчик нулевого положения 12, устройство может быть выведено либо вручную, либо автоматически. В последнем случае сигнал "сброс" (на. фиг. 1 не показан), также как и сигнал старт" и др, определяет направление перемещения исполнительного механизма 10 независимо от значения сигнала на выходе блока выделения разностного сигнала 3 до тех пор, пока не срабатывает датчик нулевого положения 12.

В исходном положении от датчика нулевого положения 12 поступает сигнал

1 установки нулевой информации в реверсивный счетчик ll соответствующий начальному положению кинематической цепи исполнительного механизма 10. При отсутствии программы позиционирования на входе устройства на выходе всех блоков присутствует нулевая информация. Отработка программы начинается с ввода программы перемещения в заданную координату В с, заданной скоростью от программо-носителя 2 в блок ввода 1. Преобразователь код-частота 4 преобразует входной код, поступающий от блока ввода 1, в заданную частоту импуль- ° сов. Первый же импульс устанавливает триггер 5 в единичное состояние. Поскольку на второй вход блока выделения разностного сигнала 3 поступает величине

С eoN6чщ

Значение функцйи Y выводится на выход 18 и является истинным, откорректированным с учетом погрешностей

S 12673 нулевая информация от блока коррекции положения 15, то на его первом выходе формируется сигнал направления перемещения, определяемого входной информацией на первом входе, а на втором выходе появляется сигнал разрешения работы блокЫ электрического дробления шага 6. Единичный сигнал с триггера 5 поступает в блок электрического дробления шага 6, где 1р формируется первая ступень тока питания фаз шагового двигателя 9, усиленная усилителем мощности 7. Шаговый двигатель 9 отрабатывает единичное перемещение, после чего на его обмот- 15 ках (фазах) наводится ЭДС вращения

Е в, которая после обработки в блоке выделения и преобразования ЭДС вращевр ° ния 8 выделяется Hà его выходе в виде импульсного сигнала. 20

Работа блока выделения и преобразования ЭДС вращения происходит сле.дующим образом. Усилители 23, 24, 25, 26 имеют коэффициент усиления, равный коэффициенту усиления усилителей 19, 25

20, 21, 22. Выходы тех и других усилителей подключены на входы дифференциальных усилителей 27, 28, 29, 30 °

На выходе последних выделяется усиленный разностный сигнал, представ- gg ляющий собой колебательный процесс, присутствующий на обмотках шагового двигателя. Составляющими этого сигнала являются высокочастотный сигнал самоиндукции и взаимоиндукции» Возни кающий при переключениях обмоток (фаз) двигателя, ЭДС вращения - за-. тухающий низкочастотный сигнал, декремент затухания которого зависит от параметров двигателя и нагрузки. @

Паразитные сигналы самоиндукции и взаимоиндукции, а также колебания комбинационных частот подавляются далее фильтром низких частот 31; 32, 33, 34, т.е. реализуется частотная селекция сигналов. Такая селекция

1 возможна ввиду того, что период колебаний ЭДС вращения не зависит от периода входной частоты . т.е. частоты формирования ступеней тока при электрическом дроблении шага, а определяется параметрами двигателя и нагрузки. На выходе фильтров нижних частот 31 32, 33, 34 появляются сигналы ЭДС вращения, один из которых ,имеет большую амплитуду по абсолют ной величине, ;чем другие„ что связано с направлением коммутации обмоток

60 Ф (фаз) шагового двигателя и положением его ротора относительно. фаз статора. Узел выделения минимального сигнала 35.выделяет один основной сигнал, являющийся. реакцией на перемещение ротора. Далее этот сигнал формируется с помощью компаратора 36, порог срабатывания которого задает источник опорного напряжения 37. Поскольку декремент затухания, ЭДС вращения возрастает с увеличением нагрузки, то порог срабатывания компаратора 36 выбирается в зависимости от допустимого диапазона колебаний нагрузки шагового двигателя 9 лри работе исполнительного механизма 10, следовательно, предлагаемая реализация блока вьщеления.и преобразования

ЭДС вращения позволяет работать без искажения исходного сигнала, поступающего с обмотки (фазы) шагового двигателя, что повышает достоверность получения сигнала обратной связи.

Кроме того, получение этого сигнала с учетом нагрузки шагового двигателя позволяет исключить аварийные ситуации, связанные с перегрузками шагового двигателя при работе исполнительного механизма 10.

Сформированный сигнал ЭДС вращения в блоке 8 поступает на второй установочный вход триггера 5 и устанавлива ет его в исходное состояние, завершая формирование тактирующего импульса.

Параллельно импульс с блока выделения и преобразования ЭДС вращения 8 поступает на счетный вход реверсивного счетчика 11. Последний накапливает информацию о шагах перемещения. С выхода его снимается код числа И, т.е. числа шагов в направлении заданной координаты. Этот код поступает на вход адреса запоминающего устройства

13, определяя значение величины коррекции на данном шаге перемещения, а также на второй вход деремножителК

17 блока коррекции положения 15, который производит вычисления 6 И = 9 .

Значение погрешности + „, выбранное иэ запоминающего устройства 13 по адресу, полученному из счетчика 11, поступает на вход сумматора 16. Код числа на выходе сумматора 16 равен

45 ства.

1. Устройство для программного управления позиционированием, содержащее программоноситель, подключенный к входу блока ввода, один выход которого соединен с входом преобразова» теля код-частота, другой выход — с

7 !2673 кинематических цепей текущим значением координаты перемещения при позиционировании.

Эта величина функции поступает на блок выцеления разностного сигна5 ла 3, где производится оценка разницы Z= 8 Y= e N --Y заданного програмо мой значения координаты 8 и текуще5

ro значения Y . Знак Z определяет направление счета реверсивного счетчи- 10 ка 11. Отработка программы позиционирования завершается при Z=O что свидетельствует о достижении требуемой позиции (координаты перемещения).

При этом с второго выхода блока вы- !5 деления разностного сигнала 3 на блок

;электрического дробления шага 6 по ступает сигнал Стоп", запрещая дальнейшую работу привода, Конкретная реализация устройства может быть осуществлена, например, следующим образом.

Блок ввода 1 — большая интегральная схема (БИС) К580ИК55 — программируемый параллельный интерфейс. 25

Программоноситель 2 — накопитель на магнитном диске (НМД) или пере,программируемое постоянное запоминающее устройство.

Блок выделения разностного сигна-. 5б ла 3 выполняет функцию цифрового компаратора и реализуется на микросхемах типа 564ИП2, при этом первый выход блока 3 является выходом ">, а второй выход -выходом. "=" компа35 ратора.

Преобразователь код-частота 4 реализуется при соединении генератора импульсов и счетчика типа 564ИЕ15 или КР580ВИ53.

Блок электрического дробления шага 6 реализуется известным образом

-.(1). В этом случае первый выход блока выделения разностного сигнала

3 подключают на вход у установки а направления блока электрического дробления шага 6, второй выход — на вход сброса у,, а выход триггера 5— на информационный вход Tl, а выходами блока 6 являются выходы элементов И. О

Реверсивный счетчик ll (микросхемы), например, типа 564ИЕ!!.

Запоминающие устройства 13 и 14 например, микросхемы типа К573РФ1, В качестве перемножителя 17 цифровых сигналов могут быть использованы микросхемы 564ИПЗ, а в качестве сумматора 16 -- 564ИМ1 °

60 8

Датчик нулевого положения представляет собой простейшее устройство, например, оптопара и сектор с проре- зью, которое служит для установки начального положения редуктора исполнительного механизма 10, с которого начинается его тарировка и контроль при возврате в исходное положение после отработки заданной программы.

Устройство позволяет с высокой точностью, которая определяется точ-ностью измерения погрешностей Sg к и ь и объемом памяти запоминающего устройства, в которое записаны эти погрешности, производить позиционирование исполнительного механизма.

Введение электрического дробления шага позволяет уменьшить число передаточных звеньев кинематической цепи исполнительного механизма н увеличить точность и воспроизводимость позиционирования при одинаковом объеме памяти запоминающего устройства. Уменьшение числа передаточных звеньев кинематической цепи повышает быстродействие устройства, что соответствует поставленной цели изобретения, Кроме того, за счет введения блока

6 электрического дробления шага значительно улучшается воспроизводимость перемещения, а введение блока выделения и преобразования ЭДС вращения 8 и триггера 5 позволяет образовать локально-замкнутый шаговый электропривод повьппенной устойчивости при колебаниях входных задающих частот и нагрузки. Блок выделения и преобразования ЭДС вращения обеспечивает надежность получения информации обратной связи и исключить аварийные ситуации, связанные с перегрузками шагового двигателя при работе исполнительного механизма. Устройство снижает затраты на его изготовление за счет упрощения устройства, а также повышает производительность,оборудо» вання, в котором оно применяется за .счет повышения быстродействия устройФормула изобретения

9 12 первым входом блока вьщеления разностного сигнала, к второму входу которого подключен выход блока коррекции положения, соединенного первым и вторым входами с первым и вторым запоминающими устройствами, усилитель мощности, подключенный к фазам шагового

f двигателя, вал которого ссединен с исполнительным механизмом, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения устройства и повышения его быстродействия, в него дополнительно ,введены блок электрического дробления шага, триггер, блок выделения и преобразования ЭДС вращения, реверсивный счетчик и датчик нулевого положения, при этом блок электрического дробления шага подключен первым и вторым входами к первому и второму выходам блока выделения разностного сигнала, а выходами — к входам усилителя мощности, первый установочный вход триггера соединен с выходом преобразователя код-частота, а выход — с третьим входом блока электрического дробления шага, первые входы блока вьщеления и преобразования

ЭДС вращения подключены к входам усилителя мощности, а вторые входы — к фазам шагового двигателя, вход направления реверсивного счетчика соединен с первым выходом блока выделения разностного сигнала, а счетный вход — с вторым установочным входом

67360 1() триггера и с выходом блока вьщеления и преобразования ЭДС вращения, выход датчика нулевого положения подключен к установочному входу реверсивного счетчика, соединенного выходом с адресным входом первого запоминающего устройства и с третьим входом блока коррекции положения.

2. Устройство по п. 1, о т л и10 ч а ю щ е е с я тем, что блок выделения и преобразования ЭДС вращения содержит усилители, коэффициент усиления которых равен коэффициенту усиленйя фазных усилителей мопдости, 15 дифференциальные усилители, фильтры нижних частот, узел вьщеления минимального сигнала,компаратори источ- ° ник опорного напряжения, причем входы усилителей являются первыми вхо20 дами блока, неинвертирующие входы дифференциальных усилителей являются вторыми входами блока, инвертирующие входы дифференциальных усилителей соединены с выходами соответствующих

25 усилителей, а выходы — через соответствующие фильтры нижних частот с входами узла выделения минимального сигнала, выход которого подключен к первому входу компаратора, с вторым щ входом которого соединен источник опорного напряжения, при этом выход компаратора является выходом блока выделения и преобразования ЭДС вращения.!

Составитель А. Исправникова

Редактор В. Ковтун Техред А,Кравчук Корректор В. Бутяга

Заказ 5773/45 Тираж 836 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР па делам изобретений и открытий

113035, Москва, И-35, Раушская наб., д. 4!5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4