Устройство для управления электроприводом робота

 

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано для управления электроприводами роботов с переменными нагрузочными характеристиками. Целью изобретения является повышение точности и быстродействия устройства за счет исключения влияния внешнего нагрузочного момента, а также ошибки, возникающей при отработке произвольного задающего воздействия. Для этого в устройство, содержащее три сумматора, блок деления, выпрямитель, два релейных элемента, усилитель мощности, два блока умножения, электродвигатель и датчики положения, тока и скорости, дополнительно введены два выпрямителя, два блока умножения, два функциональных преобразователя, шесть сумматоров, квадратор, релейный элемент, датчик сигнала и датчик ускорения. Это позволяет компенсировать влияние переменного нагрузочного момента и отрабатывать без статической ошибки задающее воздействие произвольного вида. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) (5l)5 B 25 J 13 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

f (21 ) 4366402/31-08 (22) 20.01.88 (46) 30.03.90. Бюл. ¹ 12 (71) Дальневосточный;политехнический институт им ° В. В. Куйбышева (72) A. А. Дыда, В. С. Очкал и В. Ф. Фнларетов (53) 621-229.72(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1218798, кл. G 05 В 11/01, 1985. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛВНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ РОБОТА (57) Изобретение относится к. робототехнике и может быть использовано для управления электроприводами роботов с переменными нагрузочными характеристиками. Целью изобретения является повышение точности и быстродейстИзобретение относится к области робототехники и может быть испольэо- 1. вано для управления электроприводами роботов с переменными нагрузочными характеристиками.

Целью изобретения является повышение точнссти и быстродействия устройства эа счет исключения влияния внешнего нагрузочного момента и ошибки, \ возникающей при отработке произвольного задающего воздействия.

На чертеже представлена функциональная схема устройства.

Схема содержит первый блок 1 умножения, первый сумматор 2, первый релейный элемент 3, второй блок 4 умножения, усилитель 5 мощности, электродвигатель 6, редуктор 7, объект 8 упвия устройства эа счет исключения влияния внешнего нагрузочного момен" та1 а также ошибки, возникаюцей при отработке произвольного задающего воздействия. Для этого в устройство, содержащее три сумматора, блок деления, выпрямитель, два релейных элемента, усилитель мощности, два блока умножения, электродвигатель и датчики положения, тока и скорости, дополнительно введены два выпрямителя, два блока умножения, два функциональных преобразователя, шесть сумматоров, к квадратор, релейный элемент, датчик сигнала и датчик ускорения. Это по.-— воляет компенсировать влияние переменного нагрузочного момента и отрабатывать без статической ошибки задающее воздействие произвольного вида. 1 ил . равления, датчик 9 положения, второй сумматор 10, первый выпрямитель 11, датчик 12 скорости, третий сумматор

13, датчик 14 тока, четвертый сумматор 15, второй релейный элемент 16, первый функциональный преобразователь 3

17 блок 18 деления, второй выпрями- С5 тель 19, датчик 20 ускорения, блок

21 выборки и хранения, третий релей-. ный элемент 22, задатчик 23 сигнала, третий блок 24 умножения, третий выпрямитель 25, пятый сумматор 26, четвертый блок 27 умножения, шестой сумматор 28, четвертый выпрямитель 29, квадратор 30, седьмой сумматор 31, второй функциональный преобразователь

32, восьмой и девятый сумматоры 33 и 34 соответственно.

1553376

Устройство работает следующим образом.

В исходном статическом состоянии системы на выходах датчиков 12, 20 и

14 угловой скорости, углового ускорения вращения,и тока сигналы равны нулю. На выходе датчика 9 углового положения сигнал соответствует фактическому угловому положению выходного вала редуктора 7. На выходе задатчика

23 установлен положительный уровень сигнала, значение которого будет определено ниже. При этих условиях выходной сигнал блока 21 выборки-хране- 15 ния равен нулю. Второй функционапьный преобразователь 32 реализует вычисления по формуле у = /х. Поэтому с выхода сумматора 31 на первый вход первЬго блока 1 умножения поступает 2р сигнал С, в начальный момент времени (исходное состояние. системы) также

) равный нулю. Сигнал S на выходе первого релейного элемента 3 равен ,25 (1)

Я =.:E + Е„С где H „= (g - a ) — сигнал рассогласо в ания (ошибка) системы по угловому положению, устанавливающийся на выходе сумматора 10;

Е = (р — о(К ) — сигнал рассогласовайия системы по скорости на выходе суммато ра 15;

К вЂ” коэффициент передачи редук»

Р тора 7,.

Отметин,. что коэффициенты по первому и второму входам сумматора 10„40 по второму входу сумматора 15 настраиваются равными 1, а по первому входу сумматора 15 К

В исходном состоянии программные задающие сигналы g я g соответст 45 венно равны нулю. Как уже отмечалось на выходе блока 21 выборки-хранения в исходном положении системы сигнал равен нулю, следовательно, и на выхо-. дах выпрямителей 25 и 29 сигналы также равны нулю. В результате на электродвигатель 6 напряжение не подается.

Прежде чем перейти к непосредственному рассмотрению работы системы целесообразно получить и проанализи55 ровать некоторые поясняющие соотношения. Динамика нескорректированного электропривода постоянного тока независимого возбуждения с печатным или полым якорем может быть достаточно полно (с учетом того, что для указанных типов электродвигателей индуктивность пренебрежительно маля) описана следующей системой дифференциальных ур ав н ений

Е =Е, (2) а Е +M+ G — Ь ° U

I где

K K + RKy КзКрКм а,= К,Ь= Е Е

К

М= И», G=g+ а, Р, М"=

S - S 40 (3) Уравнение S = F + С F = 0 зада 1 ет в пространстве фазовых координат (М вн + N sign d g ) () — символ дифференцирования по времени;

R - активное сопротивление якорной цепи электродвигателя 6;

К„„- коэффициент крутящего момента;

К,„-коэффициент противоЭДС;

К вЂ” коэффициент передачи усилителя

Ъ

5 мощно сти

К вЂ коэффицие вязкого трения;

M „- внешний нагрузочный момент;

М вЂ коэффицие, пропорциональный моменту. сухого трения;

Х вЂ” суммарный приведенный момент инерции ротора электродвигателя 6 и вращающихся частей кинематической передачи;

U - управляющий сигнал;

g, g, g — программные значения углового положения, угловой скорости и углового ускорения вращения выходного вала редуктора 7, подаваемые на соответствующие входы устройства.

Полагаем, что I может дискретно принимать любые значения из диапазона I Е fI, Х „ Дв начале каждого рабочего цикла. Это имеет место во многих электроприводах манипуляционных роботов, особенно у роботов, работающих в цилиндрической системе координат.

Для возникновения и существования скользящего режима работы необходимо соблюдение условия:

1553376

С учетом (2), (6) можно получить

S = (-с . E — Ь 1Е 1 sag S +

+ с а . Е,)+ (G — b .K-„)GI х х эц.:и S) + (М вЂ” b К,.II@.sign 8,1 (7) (4) Е, = -Е,С.

)G b K> IGt 8 NS)) 0 р - О (С-Ь К ° )61 sig NSj 60 при S y О (8) е: (М-Ь К М 1 sign S) >i О при S 40 (! 1 1 К 1G l х 20 1М-Ь К„.1М 1 аджип S) (p npu S 0

x sig NS (6) Ь.1Е,! sign S + с а -Е $30 при Я(0, (-с ° Е, - Ь 1Е вц п 8+ с ° а -Е )(0 при Svp, (10) Унитывая преобразование: Е ) Ь SIGNS = Е Ь ° SIGN (S -Е ), }М j b K).SIGN М Ь.К1 SIGN (S . М,"), (11) IGI Ь КФ SIGNS С.Ь. К, SIGN (S. С) I ° R

К Кр Км (12) (13) (с + а с — Ь SIGN (S ° Е )) у 0 при (Е S) ь О,, (14) (-с +ас -Ь ° SIGN (8 Е)) Опри (E ° S) э О

-1 1 .с С =

Е и Е гиперплоскость скольжения (С ) Π— коэффициент наклона гиперплоскости S = О}, вдоль которой про- текает скользящий процесс, описывае- . мый для системы (2} уравнением

Решение уравнения (4), очевидно, )p имеет вид -c(t-e )

E,(t) = F,(t ) е, (5) т.е. скорость затухания монотонного переходного процесса системы (2) в скользящем режиме прямо пропорциональ- 15 на величине с.

Для выполнения (3) U сформируем в вид для выполнения соотношения (8), (И, (10), а следовательно, и неравенства

{3 1 необходимо и достаточно удовлетворения условий

Решая совместно неравенства (14) (при соблюдении укаэанного выше обя50 зательного условия устойчивости сколь- зящего движения С ) О), определяем наибольшее возможное значение коэффи" циента с в зависимости от текущего значения I

Очевидно, что для выполнения условия (3) с учетом равенства (7) должны выполняться следующие соотношения:

Таким образом, для организации. устойчивого скользящего режима в системе (2), протекающего с максимально возможным быстродействием для текущих значений варьируемого параметра с учетом имеющихся ресурсов управ- . ления U вида (6), необходимо коэффициент наклона с гиперплоскости пере-, ключения S = О рассчитывать по (15) с учетом значений параметров а д(Т ), Ь (I ), определяемых по паспортным

1553376 о(g

И,ф нн (19) 1

I M>„„ I при Mpu 0 Й (20) (1 7) Д при 1 M»„ I A!

N = N, + N + N (18)

55 бранным конкретного электропривода. -<

Коэффициенты К„ и К> не влияют на

Скорость затухания переходных процес " .

Сов в системе (2), Однако выбор их величин должен производиться строго в соответствии с условиями (12) и (13), поскольку в противном случае система не способна будет отработать программное задающее воздействие про- 10 извольного вида без статической ошибки, парируя при этом влияние внешних возмущающих моментов.

При включении устройства и подаче

Йа его входы программных задающих воздействий g g u g на выходах соответствующих сумматоров 10, 1S и 33 появятся сигналы ошибок системы по угловому положению и угловой скоро-т ти —, Е и Е . В результате на выхо-20 фе второго блока 4 умножения появится сигнал (подробно о формировании которого будет сказано ниже) U = (IE, I + K„.ltf+I+ К |GI) вр В, который подается на вход усилителя 5 25 г ащности. В результате на электродвигатель 6 поступает напряжение

U> = К„.(IE, I + К, 1И 1+

+ K> fGl sign S (16) ЗО т ри этом выходной вал электродвигатея 6 начинает вращаться в направлеии, соответствующем уменьшению ошиб 1 35 ,и системы по угловому положению Е

В общем случае нагрузочный момент

И„, приведенный к валу электродвигателя 6, складывается из моментов су ОГО трениЯ И cT p M sign dq вЯзко

bio трения И 5 = К 1, d и внешнего на- 40

I ðóçî÷Hoãî момента И „ .

Такой характер приложения момент45 ных нагрузок имеет место в довольно

Широком классе систем управления, в том числе и в следящих системах манипуляционных роботов, обеспечивающих поворот относительно вертикальной оси.

Для электродвигателя 6 постоянного гока независимого возбуждения справедливо. соотношение:

Где a(, — угловая скорость и угловое ускорение вращения вала электродвигателя 6;

И„„„ — величина динамического момента; якорный ток электродвигателя 6.

Из (18) следуе т, что

Соотношение (1 9) использ уется для

-t оценки текущего значения величины I

Коэффициент усиления датчика 14 тока совместно с коэффициентом усиления по второму входу сумматора 26 устанавливается равным К„„, коэффициент усиления по инвертирующему входу сумматора 26 устанавливается равным К, по третьему инвертирующему входу— равным 1. Если при этом коэффициент усиления по первому входу сумматора

13 равен N, а по второму входу — N „ (константе, равной максимально возможной, по техническим условиям работы системы, величине внешнего нагрузочного момента), и при этом второй релейный элемент 16 с нулевой нейтральной точкой реализует функцию

SiGN d то на выходе сумматора 26 формируется сигнал И А„„ = К . i, — N Ä соответствующий знаменателю (19). Уровень выходного сигнала задатчика 23 устанавливается равным 1, Первый функциональный преобразователь 17 реализует функцию где Д " малая положительная константа

При INppg ЬДв блоке 18 деления вычисляется отношение модулей величин

) Ы 1и IM* „ I, т.е. определяется значение I> . При малых значениях IN+„„ I

4 В в блоке 18 деления осуществляется деление на и . Этим устраняется один из недостатков системы-прототипа— ситуация "Деление на ноль".

Третий релейный элемент 22 реализует. функцию

F при I Npgg 1 ) ll (21)

0 при 1И „„ д

1553376 10 о и подается на первый вход сумматора

31 с коэффициентом передачи по этому входу, равному 1. Коэффициент передачи по второму входу сумматора 31 ус5 танавливается равным (К . К,„ R x

+ х К ) . 0 5 - Р, в результате на вьжоде последнего формируется сигнал

При сигнале "1 " на выходе третьег релейного элемента 22 блок 21 выборки-хранения передает с единичным коэффициентом усиления сигнал с выхода блока 18 деления на вход сумматора

28, при сигнале P> = 0 на выходе бло ка 21 выборки-хранения хранится уровень сигнала, имеющий место в момент переключения третьего релейного элемента 22.

Таким образом, на выходе блока 21 выборки-хранения при значениях (М4д„1) д будет сигнал, равный текущему I, при Мд„„(< д — равен (Х 3» (t„), где (й„) — момент времени, при котором величина модуля )Вд„„! входит в область (-Д, +й 1, В процессе движения электродвигателя 6 при некоторой комбинации значений Е и Е происходит смена знака

1 сигнала S = F. + С Е,, вызывающая

1У переключение первого релейного элемента 3. Согласно (6) сигнал U на входе усилителя 5 мощности сменит знак, 25 а значит изменится и полярность напряжения U на электродигателе 6, т.е. последний йачнет вращаться в противоположную сторону, и через некоторое время соотношение между Е1 и Е снова 30 изменится .и опять сигнал S сменит знак, первый релейный элемент 3 переключится и т.д. В результате возникает скользящий режим и система движется в сторону уменьшения ошибки углово-3

ro положения Е,, т.е. отрабатывает заданный закон программного движения

g. Для обеспечения устойчивого возникновения и существования скользящего режима, протекающего с максимально 4п возможной скоростью для текущего знач ения I g1: (Ig „ Т ) как и было указано, коэффициент с должен рассчитываться по выражению (15) с учетом

I точно соответствующий выражению (!5).

Следует отметить, что коэффициенты в подкоренном выражении формулы (15) принимаются только положительные значения, следовательно, операция извлечения квадратного корня во втором функциональном преобразователе 32 выполняется корректно. Отметим также и то, что настройка выходного сигнала задатчика 23 и коэффициента передачи по второму входу сумматора 13 могут быть и другими, важно лишь оставить тем же результат произведения уровня выходного сигнала задатчика 23 на коэффициент передачи по второму входу сумматора 13, равный максимально возможной величине М „.

Коэффициенты передачи по первым входам блоков 24 и 27 умножения, по первому и второму входу сумматора 10, по второму входу сумматора 15, по входам выпрямителей !1, 19, 25 и сумматора 26, по второму входу сумматора

34, по первому и второму входам первого блока 1 умножения, по первому и второму входам второго блока 4 умножения и сумматора 2 настраиваются соответственно равными 1.

Коэффициенты передачи по второму входу третьего блока 24 умножения и первому входу сумматора 15 настраиваются равными К „, а по второму входу четвертого блока 27 умножения — равным (К ц К td+ К - К )

Если при этом коэффициент передачи . по первому входу сумматора 34 равен

К1, а по третьему входу — К, причем значения К, и К удовлетворяют условиям (12) и (13) для конкретных пас- портных данных электропривода робота, а первый релейный элемент 3 реализует .: функцию SIGNS то на выходе второго блока 4 умножения сформируется сигнал (2) °

55

Для этого коэффициент передачи по второму входу сумматора 28 настраива-1 ется равным К„, К у К > R по первому входу — равным 1. Коэффициент передачи по входу квадратора 30 равен

0,25 (К„„K + R R ). R ". Таким образом, на выходе второго функционального преобразователя 32 формируется сигнал

С() — (K KM+ R Kb) +

2 R Т

1553376

12 (1Е „1+ K.1 IN+) + K<. 1С1) х х SIGNS, точно совпадающий по виду с выражением (6).

Иэ изложенного следует, что эа счет дополнительно введенных блоков и связей в предложенном устройстве уп; равления электроприводом робота с переменной структурой при значейии

tN ttqI) 4 выполняется адаптивная под- 10

,стройка управляющего воздействия и . положения гиперплоскости скольжения ,S 0 в пространстве фазовых коордн»

,нат Е и Е на основе оценки величины

I, чем достигается максимальное бы- д5 ! стродействие устроиства при отработке последней произвольного вида програм,много задамцего воздействия и при на-: ,личии значительных по величине внеш1 них возмущающих моментов (сухого и, вязкого трения, внешнего нагрузочиого, момента) .

При входе в область 1И „1 ь Д под, стройка коэффициентов прекращается.

Однако за счет выбора соответствующей 25 величины Д появляющаяся при.прекращении адаптивной подстройки погрешность всегда может быть сведена к величине, допустимой но условию технической эксплуатации данной системы, так как 30

Д может быть выбрана практически ,очень малой величиной. формула изобретения

Устройство для управления электро,приводом робота, содержащее блок де ления, последовательно соединенные первый блок умножения, первый сумматор, первый релейный элемент, второй 40 блок умножения, усилитель мощности и электродвигатель, кинематически связанный непосредственно с датчиком скорости и через редуктор — с объектом управления и с датчиком положения,45 выход которого подключен к первому входу второго сумматора, соединенного первым входом с первым входом устройства, а выходом - с входом первого выпрямителя и первым входом первого 50 блока умножения, Bbbcop, электродвигателя подключен к входу датчика тока.

I выход датчика скорости соединен свходом второго релейного элемента, выход которого подключен к первому входу третьего сумматора, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, оно содержит задатчик сигнала, первый функциональный преобразователь, четвертый сумматор, последовательно соединенные кинематически связанный с электродвигателем датчик ускорения и второй выпрямитель, последовательно подключенные третий блок умножения и третий выпрямитель, последовательно соединенные пятый сумматор, третий релейный элемент, блок выборки и хранения, квадратор, шестой сумматор, второй функциональный преобразователь и седьмой сумматор, а также последовательно подключенные четвертый блок умножения, восьмой сумматор, четвертый выпрямитель и. девятый сумматор,, второй вход которого соединен с выходом первого выпрямителя, третий вход — с выходом третьего выпрямителя, а выход — с вторым входом второго блока умножения, выход датчика тока подключен к первому входу пятого сум матора, соединенного вторым входом с выходом датчика скорости и первым входом четвертого сумматора, а третий — входом с первым входом третьего блока умножения и выходом третьего сумматора, второй вход которого под-ключен к выходу задатчика сигнала, вход первого функционального преобразователя соединен с выходом пятого сумматора, а выход " - с первым входом блока деления, подключенного вторым входом к выходу второго выпрямиi теля, а выходом к второму входу блока выборки и хранения, выход которого соединен с вторым входом шестого и седьмого сумматоров и третьего блока умножения, а также первым входом четвертого блока умножения„ подключенного вторым входом к второму входу устройства и второму- входу четвертого сумматора, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, выход седьмого сумматора подключен к второму входу первого блока умножения, а второй вход восьмого сумматора соединен с третьим входом устройства.!

553376

Составитель Е. Политов

Редактор О. Спесивых Техред М.Дидык Корректор B. Кабаций

Заказ 427

Тираж 687

Подписное

ВНИИПИ Государственногс комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101