Интеллектуальные мехатронные модули движения

Лекция 3.Интеллектуальные мехатронные модули движения

Главной особенностью современного этапа развития мехатронных модулей является интеллектуализация процессов управления их функциональными движениями. По сути речь идет о разработке принципиально нового поколения модулей, в которых осуществлена интеграция всех трех компонент - электромеханической, электронной и компьютерной. Техническая реализация интеллектуальных мехатронных модулей движения (ИММД) стала возможной благодаря бурному развитию в последние годы микропроцессорных систем, ориентированных на задачи управления движением. Постоянное совершенствование производственных технологий ведет к стабильному снижению стоимости аппаратных средств, что сделало их к настоящему времени рентабельными для практического внедрения.

Можно выделить три направления интеллектуализации мехатронных модулей движения, которые классифицируются в зависимости от интерфейсных точек интеграции :

I. Развитие интегрированных интерфейсов, связывающих управляющий
контроллер с компьютером верхнего уровня в единый аппаратно-
программный управляющий комплекс.

П. Создание интеллектуальных силовых модулей управления путем интеграции управляющих контроллеров и силовых преобразователей.

Ш. Разработка интеллектуальных сенсоров мехатронных модулей, которые
дополнительно к обычным измерительным функциям осуществляют
компьютерную обработку и преобразование сигналов по гибким
программам.

Рассмотрим тенденции и способы технической реализации УКУ в современных мехатронных модулях

Контроллеры движения

Первое из указанных направлений заключается в создании нового поколения компьютерных устройств, позволяющих пользователю гибко и быстро решать весь комплекс задач управления движением модуля.

Укрупненно можно разделить задачу управления движениями мехатронных систем на две основные части: планирование движения и его исполнение во времени. Задачу планирования движения и автоматизированного формирования программы управления решает компьютер верхнего уровня, который получает целеуказание от человека-оператора. Функцию расчета и выдачи управляющих сигналов непосредственно на исполнительные приводы выполняет контроллер движения. Таким образом, сочетание компьютера и контроллера в архитектуре УКУ является обоснованным с точки зрения разделения решаемых подзадач управления.

Лишь в простейших модулях иногда используются сепаратные контроллеры, которые привлекательны для пользователей своей относительной дешевизной. Функции такого контроллера ограничены задачей управления механическим движением по одной координате (редко по двум), некоторые модификации имеют стандартный интерфейс для включения в более сложные управляющие структуры. Однако необходимость программирования непосредственно оператором на языке достаточно низкого уровня (типа BASIC), малое количество каналов связи и ограниченный объем памяти делают этот тип контроллеров неперспективным для многокоординатных мехатронных систем с интеллектуальными методами управления.

Современные контроллеры обычно реализуют управление с обратной
связью по положению и/или скорости управляемого механического
объекта, т.е. мехатронная система управления является замкнутой на
исполнительном уровне. Принцип разомкнутого управления в настоящее
время используется только в системах управления шаговыми двигателями.
Такие двигатели применяются, например в графопостроителях, плоттерах,
поворотных столах и других устройствах, которые не испытывают
существенных возмущающих воздействий. В оборудовании автоматизированного машиностроения (металлорежущих станках, технологических роботах) обеспечить приемлемую точность движения' можно только используя замкнутые системы управления.

Для реализации функциональных движений контроллеры имеют также дополнительные входы/выходы для связи с внешним оборудованием. Как правило, это сигналы, дискретные по форме (I/O). Здесь уместно обратить внимание на очень широкое распространение в промышленных системах автоматики программируемых логических контроллеров (ПЛК). Главная задача ПЛК - это эффективные операции исключительно с дискретной информацией. Поэтому построение на базе ПЛК систем управления движением мехатронными модулями, и тем более мехатронными системами, логически нецелесообразно. Но при этом возможен обмен информацией между контроллерами управления движением и ПЛК через блок дискретных входов/выходов.

Наиболее распространены в настоящее время два метода формирования контроллером управляющих сигналов для силового преобразователя:

- аналоговые командные сигналы;

- модулированные управляющие сигналы.

Для формирования аналоговых управляющих сигналов необходим цифро-аналоговый преобразователь, который выдает электрические напряжения (обычно от -10В до +10В постоянного тока). С энергетической точки зрения выгодным считается метод широтно-импульсного управления силовыми ключами преобразователя.

Примечание. В технических описаниях контроллеров величины перемещений обычно имеют размерность [ Имп] ( Steps или Counts), a скорости соответственно [ Имп/с] (Steps/sec или Counts/sec). Данные значения важны тем, что определяют собственные возможности контроллера без учета параметров датчиков обратной связи. Для определения параметров движения в системе единиц СИ следует разделить указанные числа на коэффициенты выбранных датчиков. Положим, что стандартный угловой фотоимпульсный датчик (инкодер) имеет коэффициент 5000 Имп/об, а выбранный резольвер - коэффициент 65000 Имп/об. Тогда при паспортной характеристике контроллера 1 000 000 имп/с получаем максимальные скорости вращения двигателя соответственно 200 об/с при использовании инкодера и 15.38 об/с при установке резольвера.

При создании интеллектуального мехатронного модуля возможны два базовых варианта аппаратной архитектуры УКУ:

- использование компьютера верхнего уровня и контроллера движения как отдельных устройств, соединенных стандартным интерфейсом (в этом случае контроллер является внешним блоком по отношению к компьютеру);

- моноблочная структура, когда контроллер аппаратно устанавливается внутрь компьютера ("встраиваемый контроллер").

Данные аппаратные схемы имеют различные области предпочтительного применения. Архитектуру типа "внешний контроллер" целесообразно использовать в больших мехатронных системах, состоящих из нескольких многокоординатных управляемых машин (станков, роботов, вспомогательного оборудования). В таких системах компьютер выполняет функции сервера, решая задачи планирования движений, диспетчирования и управления работой всех контроллеров комплекса. Архитектура на базе встраиваемых контроллеров ориентирована на задачи координированного управления движением нескольких мехатронных модулей, входящих в состав как правило одной мехатронной системы

Планирование функциональных движений осуществляется оператором на компьютере верхнего уровня с использованием пакетов прикладных программ.
Компьютер выполняет также автоматическую генерацию команд для
контроллера, которые поступают на исполнение через стандартный
интерфейс (например, RS-232C). Эти команды задают желаемые законы
изменения во времени положения, скорости и ускорения вала»
исполнительного двигателя. Типичным является трапецеидальный закон
изменения скорости движения, включающий участки разгона,
перемещения с постоянной скоростью и торможения с заданным
ускорением .

Архитектура типа "встраиваемый контроллер" заключается в использовании персонального компьютера (PC) в качестве аппаратной платформы устройства управления движением. Это позволяет сочетать функции планирования и управления функциональными движениями мехатронными модулями и системами, сбора и обработки информационно-измерительных данных в аппаратно и программно едином устройстве. Важным с точки зрения пользователя достоинством такого подхода является интеграция стандартных операционных систем и программных средств (AutoCAD, Excel, Windows NT/95/3.1, C++ и т.п.) с системами программирования движений. Объединение управляющих компьютеров в сеть дает возможность создавать распределенные управляющие комплексы для задач автоматизации производственных ячеек, цехов и предприятий. При этом модульная архитектура на базе PC промышленного исполнения гарантирует эффективную защиту аппаратной части от тепловых, вибрационных и других воздействий производственной среды.

Технически встраиваемые контроллеры движения выпускаются в виде специальных плат (plug-in card ), устанавливаемых в дополнительный слот PC . Обмен данными между контроллером и PC осуществляется через стандартную шину (обычно 32-битная) адреса и данных. Примерами типичных шин могут служить стандарты ISA, STD, VME и IBM-PC Bus. На плате контроллера также имеются необходимые разъемы для подключения силового преобразователя привода, датчиков обратной связи (аналоговых и цифровых), внешних устройств с дискретным входом/выходом.

Интеллектуальные силовые модули

Вернемся к анализу возможных способов интеллектуализации мехатронных модулей и рассмотрим подход, направленный на интеграцию контроллеров движения и силовых преобразователей. Такое решение целесообразно для многомерных мехатронных систем, компоненты которых расположены на значительном удалении друг от друга. В этих случаях комплексировать систему управления на базе одного персонального компьютера очень сложно, а иногда и технически невозможно из-за проблем передачи сигналов и данных на большие расстояния. Так, стандартный протокол RS-232 позволяет передавать данные на расстояния не более, чем 9.15 м.

Блок управления каждым модулем в таких системах встраивается в корпус преобразователя или даже в клеммную коробку электродвигателя . Такие модули получили название интеллектуальных силовых модулей - ИСМ.

Интеллектуальные силовые модули строятся на базе полупроводниковых приборов нового поколения. Типичными представителями этих приборов являются силовые полевые транзисторы (MOSFET), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), запираемые тиристоры с полевым управлением (МСТ). Новое поколение приборов отличается высоком быстродействием (для транзисторов IGBT частота коммутации составляет до 50 000 Гц, для транзисторов MOSFET -100000Гц), высокими значениями коммутируемых токов и напряжений (для IGBT : предельная сила коммутируемого тока - до 1200 А, предельное коммутируемое напряжение - до 3500 В), малая мощность управления.

В состав ИСМ входят, кроме традиционных приборов силовой электроники (ключей на базе силовых транзисторов или тиристоров, диодов и др.), элементы микроэлектроники, предназначенные для выполнения интеллектуальных функций - управление движением, защита в аварийных режимах и диагностика неисправностей. Использование ИСМ в составе приводов мехатронных модулей позволяет существенно снизить массогабаритные показатели силовых преобразователей, повысить их надежность при эксплуатации, улучшить технико-экономические показатели.

Интеллектуальные сенсоры мехатронных модулей и систем

Целью создания интеллектуальных сенсоров является объединение функций измерения текущих параметров механического движения, их преобразования и компьютерной обработки по заданным алгоритмам в едином информационно-измерительном модуле. Со структурной точки зрения речь идет об интеграции сенсорного и компьютерного блоков мехатронного модуля Интеллектуализация сенсоров позволяет добиться более высокой точности измерения, программным путем обеспечив в самом сенсорном модуле фильтрацию шумов, калибровку, линеаризацию характеристик вход/выход, компенсацию перекрестных связей, гистерезиса и дрейфа нуля.

В мехатронных модулях сенсоры предназначены для сбора данных о фактическом состоянии элементов движущейся системы (исполнительного привода, механического устройства и рабочего органа), обработки в реальном времени и передачи сигналов обратной связи в устройство компьютерного управления.

К типичными измеряемым величинам, информация о которых используется при управлении мехатронными модулями и системами, относятся: перемещение (линейное или угловое), скорость, ускорение и моменты, развиваемые исполнительными двигателями; внешние усилия, действующие на рабочий орган (например, на шпиндель модулей); положение и ориентация рабочего органа в пространстве (например, схвата промышленного робота или щупа контрольно-измерительной машины).

В целом проблема проектирования и технологии производства интеллектуальных сенсоров (ИС) является самостоятельной научно-технической областью и выходит за рамки рассматриваемого круга вопросов. Для мехатроники представляют интерес способы интеграции ИС в мехатронные модули движения и методы минимизации промежуточных преобразований измеряемой физической величины в цифровой код, пригодный для ввода в устройство компьютерного управления.

С точки зрения минимизации промежуточных преобразований одним из наиболее эффективных (и потому очень широко применяемых в мехатронике) интеллектуальных датчиков обратной связи являются оптические инкодеры со встроенными микропроцессорами. Среди отличительных преимуществ современных инкодеров следует выделить: возможность определения как перемещения, так и скорости движения; высокую точность и низкие шумы при измерении; многооборотность; конструктивную компактность и возможность встраивания в мехатронный модуль. Важно подчеркнуть, что инкодеры выдают выходной сигнал в кодовой форме, что удобно для компьютерной обработки в реальном времени.

Различают два основных вида инкодеров - абсолютные и инкрементальные. Абсолютные инкодеры дают информацию о величине перемещения (линейного или углового) движущегося вала относительно фиксированного нулевого положения.

Преимуществами абсолютного инкодера являются надежность измерения (даже при временном отключении питания информация датчиком не будет потеряна), высокая точность при больших скоростях движения, запоминание нулевого положения (это важно при необходимости управления реверсивными и аварийными движениями машин). Инкрементальный датчик дает информацию о направлении и величине перемещения в приращениях относительно исходного положения, что вполне достаточно во многих практических приложениях.

Интеллектуализация инкодеров обеспечивается встроенными микропроцессорами, которые выполняют следующие основные функции: кодирование информации датчика, обнаружение ошибок измерения, масштабирование сигнала и передача текущего кода в контроллер движения по стандартному протоколу. Современная тенденция в создании инкодеров заключается в объединении в едином сенсорном модуле конструктивных элементов (валов, подшипников), кодировочных дисков, фотоэлементов и микропроцессора.

Интеграционная направленность мехатроники стимулирует развитие так называемых гибридных технологий для производства особо компактных и миниатюрных модулей. Гибридные технологии предусматривают использование единых материалов (в первую очередь полупроводниковых - например, кремния) как для механических, так и для микроэлектронных компонент. Это позволяет радикально уменьшать размеры модуля без увеличения его стоимости, что практически невозможно при традиционных производственных технологиях.

Другим примером реализации гибридных технологий, ориентированным на массового потребителя, может служить проект интеллектуальной авторучки, позволяющей писать на бумаге с одновременным вводом текста в компьютер. Для кодирования графической информации используются пьезоэлектрический датчик силы/ускорения и датчик угла наклона ручки. Размещение как чувствительных элементов пьезодатчика, так и всех электронных цепей на одном кремниевом кристалле позволит, по мнению авторов, добиться желаемых габаритов авторучки (не превышающих размеров обычного маркера) при доступной для потребителя цене.

Интересным направлением является применение в интеллектуальных
мехатронных модулях косвенных методов измерения параметров
механического движения. В этом случае можно вообще отказаться от
установки типичных датчиков (даже встроенных), добиваясь минимальных
габаритов и материалоемкости модуля. Величины скорости, положения,
действующего момента рассчитываются компьютерным блоком по
математическим моделям протекающих электромеханических процессов
(поэтому иногда применяется термин "виртуальные датчики"). *

Хорошо известен способ косвенного определения момента, развиваемого двигателем постоянного тока, по пропорциональной величине тока в якорной цепи, который часто используется в промышленных приводах. В последнее время разработан ряд методов и устройств косвенного измерения скорости электродвигателей. Так, стабилизировать скорость вращения асинхронного двигателя можно без установки датчика скорости на его валу, поддерживая в обмотке статора отношение тока к напряжению на заданном уровне с помощью обратной связи по току статора. Для трехфазных вентильных двигателей малой мощности разработан метод коммутации обмоток по ЭДС вращения, позволивший устранить традиционные датчики положения ротора из конструкции двигателя. Все методы косвенного измерения требуют построения адекватных математических моделей и их эффективной компьютерной реализации в реальном времени, включая алгоритмы фильтрации помех, статистической обработки измерений и цифрового кодирования информации. Появление на рынке быстродействующих и недорогих встроенных микропроцессорных средств делает эти методы перспективными для интеллектуальных мехатронных модулей - модулей нового поколения.

Интеллектуальные мехатронные модули движения