автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка алгоритмов и базового программного обеспечения распределенных мультимикропроцессорных позиционных и контурных дискретных электроприводов для компьютерного интегрированного производства

РГо 1 1

ОД НОВ 1986

На правах рукописи

МАРЧЕНКОВ Сергей Александрович

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И БАЗОВОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ МУЛЬТИМИКРОПРОЦЕССОРНЫХ ПОЗИЦИОННЫХ И КОНТУРНЫХ ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ для КОМПЬЮТЕРНОГО ИНТЕГРИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА

(Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва

1996

Работа выполнена на кафедре Автоматизированного электропривода Московского энергетического института (Технического университета).

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Козаченко В.Ф.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Рубцов В.П. - кандидат технических наук Красовский А.Б.

Ведущее предприятие - НПП ВНИИЭлектромеханики

Защита диссертации состоится 15 ноября 1996 г. в аудитории М-214 в 14 час. 00 мин. на заседании Диссертационного Совета К-053.16.06 Московского энергетического института (Технического университета).

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 105835, ГСП, Москва, Е-250, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан ¿.егтъ/Яя 1996 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета К-053.16.06

к.т.н. доцент

Т.В. Анчарова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Современное гибкое производство в электротехнической промышленности и машиностроении базируется не только на традиционных многооперационных станках с числовым программным управлением и робототехнических комплексах, но и на многокоординатных электромеханических системах воспроизведения движения. Одним из направлений реализации таких систем является использование в качестве приводов осей дискретных электроприводов (ДЭП) с шаговыми двигателями (ЩЦ). В прецизионных шаговых электроприводах нашли применение как линейные однокоординатные и пла-нарные двухкоординагные шаговые двигатели на аэростатической опоре, так и традиционные вращающиеся двигатели с кинематическими преобразователями.

От современного дискретного электропривода требуются высокие точности позиционирования и воспроизведения траектории движения. Для решения этой задачи используются специальные алгоритмы и аппаратные средства, позволяющие учесть магнитную и электрическую несимметрию двигателя, зазоры в механических передачах, особенности физических процессов в двигателе и инверторе в различных режимах работы привода. Разомкнутые приводы позволяют формировать сложные траектории движения в пространстве с точностью позиционирования ±20 рм и быстродействием, определяемым диапазоном скоростей до 1 м/с и ускорений до 40 м/с2. При необходимости перехода в зону единиц микрометров возможно замыкание привода по сигналам обратных связей, в том числе по сигналу положения от измерительных систем высокой точности. Замыкание электропривода по сигналам обратных связей является сложной и дорогой технической задачей, поэтому актуальным является максимальное использование резервов разомкнутого привода, поскольку такой электропривод способен удовлетворить требования целого ряда сборочных и лазерных технологий, операций контроля качества электротехнической продукции и т.д.

В этой связи являются актуальными:

- определение оптимальной структуры позиционного и распределенного контурного управления разомкнутым многокоординатным дискретным электроприводом;

- определение оптимальных способов позиционного и распределенного контурного управления;

- разработка пригодных для микропроцессорной реализации упрощенных моделей дискретного привода с целью их использования в алгоритмах управления;

- разработка программных интерфейсов с пакетами САПР для автоматизации этапа технологической подготовки производства.

Данная диссертационная работа выполнена в рамках исследований, проводимых в лаборатории дискретного электропривода кафедры Автоматизированного электропривода МЭИ и связанных с разработкой многокоординатных электроприводов для лазерных технологий.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ состоит в повышении точностных показателей и показателей производительности разомкнутого многокоординатного дискретного электропривода на базе шаговых двигателей различного типа с позиционным управлением и в разработке разомкнутого многокоординатного дискретного электропривода с распределенным контурным управлением с автоматизированной подготовкой данных.

Для достижения этой цели в диссертации поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Анализ и выбор оптимальных способов позиционного и распределенного контурного управления разомкнутый ДЭП по математической модели.

2. Разработка и реализация в виде рабочей программы алгоритма оптимального по быстродействию позиционного управления разомкнутым ДЭП с улучшенными демпфирующими свойствами, повышенной устойчивостью и надежностью работы, возможностью выбора зазоров в кинематической передаче при ее наличии.

3. Разработка и программная реализация оптимальных алгоритмов распределенного контурного управления разомкнутым дискретным электроприводом для технологий лазерной обработки материалов.

4. Экспериментальные исследования точностных параметров разработанного многокоординатного дискретного электропривода.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические методы исследований базируются на применении математических моделей, адекватность которых доказана теорией и практикой дискретного электропривода с шаговыми двигателями. Применялся специализированный пакет 5|тпоп для моделирования нелинейных систем на персональном компьютере. Экспериментальные исследования проводились на макетных и промышленных образцах с помощью современной измерительной аппаратуры, а также с элементами автоматизации обработки результатов эксперимента. Предложенные алгоритмы реализованы в программном обеспечении комплектного дискретного электропривода для ряда технологий лазерной обработки и показали высокую эффективность.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы состоит в обосновании, разработке и реализации оригинальных способов повышения основных технических показателей разомкнутого многокоординагного ДЭП на базе шаговых двигателей различного типа с позиционным управлением и в разработке разомкнутого многокоординатного ДЭП с распределенным контурным управлением, а также в решении ряда задач, связанных с главной:

-5- разработан универсальный алгоритм позиционного управления разомкнутым дискретным электроприводом по модели с адаптивной структурой планировщика траектории позиционирования;

- разработан пакет алгоритмов распределенного контурного управления с линейной, круговой, параболической и комбинированной интерполяцией, включая алгоритмы разбивки контура и автоматизированной подготовки данных;

- разработаны методы программной коррекции алгоритмов контурного управления по модели привода и соответствующее программное обеспечение;

- разработана методика экспериментальной проверки точностных показателей алгоритмов распределенного контурного управления на одной оси ДЭП;

- разработана инструментальная программная среда, позволяющая оценить точностные параметры алгоритмов контурного управления на математической модели привода, осуществить выбор оптимальных алгоритмов, определить форматы данных для рабочих программ и программ подготовки данных.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ состоит в том, что разработанный разомкнутый шаговый привод позволил достичь высоких точностей позиционирования и отработки контурных движений. Разработанная в процессе работы математическая модель позволила упростить отладку новых алгоритмов управления без физического макета. Разработанные программы позиционного и контурного управления, а также комплект микропроцессорных программ автоматизации экспериментов инвариантны по программному ядру и могут быть легко перенесены в программное обеспечение разрабатываемых на новой элементной базе контроллеров.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты диссертационной работы использованы при создании стенда для лазерной маркировки газовых баллонов для АОЗТ "Абсолют" и при создании лазерного технологического комплекса по обработке алмазов ЛТК1 для ПО "Кристалл" (г. Смоленск).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения работы докладывались на коллоквиуме Института силовой электроники и электропривода г. Зиген (ФРГ), на Международной конференции по проблемам преобразования электроэнергии (1РСС93) и заседании кафедры Автоматизированного электропривода Московского энергетического института 28 мая 1996 года.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертационной работы опубликовано пять печатных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 41 наименования и 2 приложений. Общий объем диссертации сосгавляет'112 страниц, 36 рисунков, 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность проблемы,-сформулированы цели и задачи работы, кратко изложено содержание глав, сформулирована научная новизна полученных результатов, показано их практическое использование.

В первой главе содержится общая характеристика объекта исследования, многокоординатного дискретного электропривода с мультимикропроцессорной системой управления (СУ), структурная схема которого приведена на рис. 1.

Посдедоватсоьвый интерфейс Я5232С

□

Персональный компьютер

Рис. I

Многокоординатный ДЭП строится на базе линейных, планарных, поворотных, вращающихся электромеханических модулей с кинематическими преобразователями и без них, что позволяет оптимизировать конструкцию технологической установки, за счет организации рабочей зоны с любым количеством координат и совмещения основных рабочих операций с транспортными.

Приводы координат выполняются по модульному принципу - электромеханический модуль, инвертор тока, микропроцессорный контроллер, - и образуют интеллектуальный осевой модуль с инвариантными силовой, микропроцессорной частями и программным обеспечением.

Микропроцессорные контроллеры осей могут быть объединены в сети и могут управляться и программироваться от стандартных вычислительных средств.

Основной задачей мультимикропроцессорной СУ является задание и воспроизведение некоторой пространственной траектории. Программное обеспечение СУ построено по иерархическому принципу как показано на рис. 2.

УПРАВЛЯЮЩИЙ КОМПЬЮТЕР/КОНТРОЛЛЕР ОСЕВЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ/ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР

ВЕРХНИЙ УРОВЕНЬ

КОНФИГУРАТОР СИСТЕМЫ ЗАДАНИЕ КОЛИЧЕСТВА И АДРЕСОВ ОСЕЙ, ВХОДОВ-ВЫХОДОВ, ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЙ ЯЗЫК ML ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ МСВД

ML-ТРАНСЛЯТОР

_СРЕДНИЙ УРОВЕНЬ_

МОНИТОР РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ:

ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ И ТЕСТИРОВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ,

ЗАПУСК ПРОГРАММ, ПРИЁМ КОМАНД/СООБЩЕНИЙ ПО ОПРОСУ/ПРЕРЫВАНИЯМ ИНТЕРПРЕТАТОР КОМАНД

_ВЫПОЛНЕНИЕ М1--ПРОГРАММ_

___НИЖНИЙ УРОВЕНЬ_

РАБОЧИЕ ПРОГРАММЫ УПРАВЛЕНИЯ _ОСЬЮ_

Рис.2

На верхнем уровне, соответствующем управляющему компьютеру или контроллеру находятся: конфигуратор системы; среда специализированного языка МЬ для описания согласованного управления приводами осей и оборудованием; транслятор с языка МЬ, создающий комплект исполняемых программ для всех уровней управления.

Средний уровень обеспечивает взаимодействие управляющего компьютера (контроллера), центрального процессора и осевых контроллеров.

На нижнем уровне, соответствующем отдельным осевым контроллерам, находятся программы управления осью в режимах позиционного и контурного движений, к которым непосредственно относится диссертационная работа.

Задача согласованного управления состоит из этапов, представленных на рис. 3. Фоном выделены подзадачи, относящиеся к данной работе.

При планировании траектории должно быть определено количество одновременно работающих координат, по каким координатам осуществляется позиционирование, по каким контурное движение, фиксация рабочего органа, каковы параметры перемещений по координатам, как управлять технологическим оборудованием для данного конкретного технологического процесса. При планировании могут использоваться обучение, специализированные языки и специализированные САПР.

Поскольку реально устройство программного управления не может воспроизвести любые пространственные кривые, то необходимо осуществить аппроксимацию траектории движения геометрическими элементами, которые СУ способна воспроизвести с

учетом физических ограничений приводов координат. ВЕРХНИЙ УРОВЕНЬ

ПЛАНИРОВАНИЕ ТРАЕКТОРИИ

ОБУЧЕНИЕ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ЯЗЫКИ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ САПР

НИЖНИМ УРОВЕНЬ

ИНТЕРПРЕТАТОР КАДРОВ

ВЫБОР И ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ РАБОЧИХ ПРОГРАММ

ИНТЕРПОЛЯЦИЯ ТРАЕКТОРИИ

РАБОЧИЕ ПРОГРАММЫ ПОЗИЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ

сл

О

РАСЧЕТ УПРАВЛЯЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

ПО МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРИВОДА

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРИВОДА

ф», РЕГУЛЯТОР * |

о: !________

I КОРРЕКЦИЯ ТРАЕКТОРНЫХ ОШИБОК ПОСИГНАЛАМ ДАТЧИКОВ ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ ]

Рис. 3

Результатом планирования является совокупность исполнительных кадров задания для координат привода.

После того, как траектория движения спланирована и сформирована совокупность исполнительных кадров, последняя передается в интерпретатор кадров, который осуществляет выбор в реальном масштабе времени рабочих программ интерполяторов

движения, и их инициализацию.

На основании вычисленной интерполятором позиционного или контурного движения программного значения координаты рабочая программа осуществляет расчет соответствующего управляющего воздействия по математической модели привода.

Для замыкания системы необходимо включение в рабочую программу программного регулятора для реализации коррекции траекторных ошибок по сигналам датчиков обратных связей.

Рассматриваемые в настоящей работе решения и алгоритмы ориентированы на недорогие однокристальные микро-ЭВМ, например, KP1816BE3I, КР1816ВЕ51, однако, могут быть перенесены и на специализированные микроконтроллеры для управления двигателями серии Intel MCS-96.

Во второй главе дается обзор способов позиционного и контурного управления ДЭП, рассматриваются перспективные способы построения программного движения.

Результирующее качество воспроизведения траектории рабочего органа зависит от качества формирования фазных токов двигателя. При высоких требованиях к динамическим и точностным показателям движения инвертор должен обладать свойствами управляемого источника тока. На рис. 4 представлена граничная механическая характеристика ШД, определяющая зону рабочих скоростей, внутри которой инвертор обладает такими свойствами.

Выводы предыдущих работ показали, что при синтй'ёХ^гер1гтов^'"поайлещ|я можно считать, что инвертор всегда работает ниже граничной характеристики~ В"5?Ом случае математическая модель ДЭП сводится к одному нелинейному дифференциальному уравнению движения:

+ + цс(0 = 1М *п(у - 0) = ц , (1)

Л" ах

гдеУ=Уг/У;; - относительное значение суммарного момента инерции привода; 5 - безразмерный коэффициент эквивалентного вязкого трения, учитывающий наличие в приводе вентиляторного момента нагрузки, потерь на вихревые токи и перемагничивание;

цс-М смлУМа - относительное значение суммарного момента статической нагрузки привода; 1м=1к/1ц - относительное значение максимального тока фаз ШД (амплитудное фазовое воздействие); у - фазовое положение вектора тока статора (фазовое управляющее воздействие); в=вМЕхРп~ текущее положение ротора, электрическая координата; рп - число пар полюсов; рх-М/Ммлх - относительное значение электромагнитного момента двигателя; т=Ц^ - безразмерное время; П0 = ^РцМмлх//г - частота собственных круговых колебаний привода.

Из уравнения (1) видно, что задача формирования некоторой пространственной траектории сводится к задаче формирования момента двигателя, т.е. к нахождению по математической модели соответствующих законов изменения программно-заданных амплитуды и фазы суммарного тока статора.

Рассматриваемый способ управления по математической модели привода многократно реализовывался в позиционных ДЭП и доказал свою эффективность при решении задачи предельного быстродействия для ДЭП с шаговыми двигателями на аэростатической опоре.

При переходе к лазерным технологиям в силу ряда причин внимание было перенесено на вращающиеся ШД с кинематическими преобразователями, изменилась конструкция и характер нагрузок, в этой связи появились новые задачи, такие как выбор зазора, ограничение рывка для снижения износа передачи, снижение нагрева двигателя, демпфированный выход на установившуюся скорость и в конечную позицию и т.д. Потребовались дополнительные исследования с целью ответа на вопрос, какие профили тахограмм разгона-торможения приемлемы в новых приводах, как их реализовать на маломощных процессорах, как влияет использование тел или иных тахограмм на быстродействие, точностные показатели. Были предложены новые алгоритмы планирования и интерполяции тахограмм и разработано соответствующее программное обеспечение для управления двигателем по его математической модели с различными планировщиками тахограммы движения;

- с трапециидальным или треугольным профилем скорости, в том числе, с возможностью ограничения рывка;

- с предельным быстродействием,

- с синусно-косинусным профилем скорости;

- универсальная программа позиционного управления, обеспечивающая произвольно заданный пользователем профиль скорости, что и являлось одной из задач диссертационной работы.

В рассматриваемой программе использовались все три способа управления: фазовый, амплитудный и комбинированный. В автореферате подробно остановимся лишь

-lina фазовом управлении.

Сущность способа управления поясняется на рис. 5, где качественно изображен цикл позиционирования привода с программируемым разгоном, движением на заданной установившейся скорости, программируемым торможением и фиксацией конечного положения. Показаны зависимости изменения механической скорости двигателя, электрического положения ротора и закон изменения фазы суммарного тока статора в функции времени.

Рис.5

Отличительной особенностью данного способа управления является формирование в фазовом управляющем воздействии у(х) дополнительных фазовых сдвигов Лу(т) по модели привода в соответствии со значениями ускорения (£,) и нагрузки (/л 5со,, /ис): у(т)^т)+Лу(т), (2)

у-1т)=в(т), (3)

Лу(т)-агат(1£(±ел) +3<и, + ^с)- (4)

В качестве дополнительной иллюстрации к рассматриваемому способу позиционного управления на рис. 6 приведены переходные процессы скорости, ускорения, запаса по моменту и фазовая характеристика скорость-ускорение для линейного, параболического, синусоидального и экспоненциального интерполяторов на фоне характеристик предельного быстродействия, соответствующих разгону с постоянным и максимальным моментом двигателя в режиме бесколлекторного двигателя постоянного тока.

Было показано, что наиболее подходящей для новых приводов является тахо-грамма с Б-образным профилем, позволяющая на низких скоростях выбирать зазоры в

передачах, обеспечивать максимальное быстродействие на среднем участке профиля и демпфированный выход на установившуюся скорость и в конечную позицию.

Рассматриваемый алгоритм управления реализован в виде специализированной программы подготовки данных и соответствующей ей рабочей программы, которые нашли свое применение в комплекте программного обеспечения осевых контроллеров.

Анализ решения позиционной задачи на базе универсального планировщика та-хограммы разгона-торможения позволил при переходе к контурной задаче сделать вывод о том, что помимо традиционных методов интерполяции (линейной, круговой и др.), возможны методы интерполяции, основанные на свойствах ДЭП и его СУ.

При прямом цифровом управлении возможна простая реализация каждой из независимых осей привода как "источника постоянной скорости", "источника постоянного ускорения", "источника постоянного рывка" и т.д. Рассмотренный ранее позиционный ДЭП фактически реализует "источник постоянной скорости". В рабочей программе этому соответствует несколько сумматоров, обеспечивающих в реальном масштабе времени добавку к номеру электрического состояния (код фазы суммарного тока статора) нескольких байт кода скорости. Построение "источников" более высокого порядка сводится к простому дополнению рабочей программы управления осью сумматорами, обеспечивающими добавку к коду скорости кода ускорения, к коду ускорения кода рывка и т. д. В нашем случае мощности процессора хватает для реализации каж-

Рис. 6

дой осью полиномов третьего-четвертого порядка.

Двухкоординатный привод, оси которого способны реализовывать полиномы третьего порядка, имеет возможность воспроизводить с достаточной точностью большинство технических контуров. Задача планирования траектории при этом сводится к задаче аппроксимации контуров полиномами третьего порядка и формированию кадров задания для каждой оси.

Процедура аппроксимации может быть сведена к следующем у. На основании заданного контура составляются временные развертки проекций контура на оси координат. Для каждой развертки рассчитываются координаты точек, отстоящих друг от друга по времени на величину интервала дискретизации. Полученный массив обрабатывается путем аппроксимации полиномами третьего порядка по методу наименьших квадратов.

Подобным образом решена задача аппроксимации окружности для замены кругового интерполятора более простым параболическим первого порядка. Аналогично могут быть решены более общие задачи формирования пространственной траектории.

Третья глава посвящена анализу алгоритмов контурного управления, выбору оптимальных алгоритмов для распределенной СУ и их программной реализации.

При решении задачи контурного управления основную проблему составляют подзадачи планирования и интерполяции траектории движения. Планирование траектории всегда реализуется на верхних уровнях системы управления. В системах ЧПУ с централизованным управлением и мощным процессором задача интерполяции также решается на верхнем уровне и ее алгоритмы широко известны. Для распределенных мультимикропроцессорных систем целесообразно передать функции интерполяции отдельным осевым контроллерам (ОК), при этом возникают проблемы синхронизации независимо работающих приводов и разработки распределенных версий алгоритмов.

Было предложено 3 варианта решения проблемы синхронизации:

1) строгое согласование тактовых частоте отдельных ОК ;

2) подключение группы ОК к одному тактовому генератору;

3) синхронизация запуска по каналам связи или по специальной шине синхронизации по признаку "конец отработки кадра", выданному всеми ОК.

Поскольку около 95% технических контуров состоят из отрезков прямых и дуг окружностей, прежде всего были рассмотрены линейные и круговые интерполяторы.

Из литературы по станкам ЧПУ известны пять наиболее часто используемых методов, представленных на рис. 7. Все они рассчитаны на мощные процессоры. Необходимо было выбрать методы, которые подойдут процессорам средней мощности.

Оказалось, что наиболее подходящим является метод цифровых дифференциальных анализаторов, так как он легко реализуем и обладает достаточной точностью.

Из-за больших методических погрешностей оказалось, что стандартные алгоритмы, используемые в системах ЧПУ, напрямую не применимы. Были разработаны алгоритмы круговой интерполяции с распределением методической погрешности между осями и ее взаимной компенсации и алгоритмы без методической погрешности.

Были реализованы интерполяторы, показанные на рис. 8.

ЦИФРА ЗА ЦИФРОЙ ОЦЕНОЧНОЙ ФУНКЦИИ ТАБЛИЧНО-АЛГОРИТМИ ЧЕСКИЙ ЦИФРОВЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ АНАЛИЗАТОРОВ ПАРАБОЛИЧЕСКАЯ ИНТЕРПОЛЯЦИЯ СПЛАЙНЫ

БРЕЗЕН-ХАМА Рис. 7

ЛИНЕЙНЫЙ (ЛИ) КРУГОВОЙ (КИ) КИ С ЧЕРЕДОВАНИЕМ ведущих ОСЕЙ КИ ВПИСАННОГО МНОГОУГОЛЬНИКА ПАРАБОЛИЧЕСКАЯ АППРОКСИМАЦИЯ ОКРУЖНОСТИ ПАРАБОЛИЧЕСКИЙ (ПИ)

| ПОСТОЯННАЯ КОНТУРНАЯ СКОРОСТЬ I I ПЕРЕМЕННАЯ КОНТУРНАЯ СКОРОСТЬ |

Рис.8

Загрузить пакет данных КИ: • К количество интервалов квантования по времени • Сх, Су константы смещения вспомогательной системы координат

• • • • Аа константу углового перемещения АХ, АУ характеристики текущего значения контурной скорости X, У характеристики координат текущей точки х^ ук конечные значения координат для коррекции

х=Х-Аа АХ + Сх

у = У+АаАУ + Су

Вывод значений текущих координат в задающее устройство

К = К- 1

Повторять до тех пор, пока К> 0

Выполнить компенсацию конечных значений координат: х=хк,у=ук

Рис.9

Поскольку реализуемые в алмазообработке сложные формы, например "сердце", требуют в некоторых точках контура реверса по одной из осей, потребовалось снижать контурную скорость в этих точках. Таким образом, помимо алгоритмов интерполяции с постоянной контурной скоростью были разработаны алгоритмы с переменной кон-

турной скоростью.

Пример алгоритма круговой интерполяции приведен на рис. 9.

Для всех алгоритмов были проанализированы методическая погрешность и погрешность отработки траектории приводом. Анализ проводился на математической модели интерполяторов и привода в пакете 81шпоп.

Результаты моделирования линейных и круговых интерполяторов с постоянной и переменной скоростью показали, что максимальная ошибка привода не превышает 8 цм, ошибка поддержания контурной скорости не превышает 0.08 мм/с.Для устранения ошибок методов интерполяции был предложен механизм списывания ошибок, состоящий в том, что при планировании траектории создаются исполнительные кадры такой длины, чтобы накопленная ошибка не превышала половины дробного шага. При переходе от кадра к кадру ошибка обнуляется.

В четвертой главе рассмотрены вопросы разработки экспериментального стенда для исследования параметров и точностных показателей ДЭП, приведены результаты экспериментальных исследований.

Программное обеспечение для решения задач как позиционного, так и контурного управления, требует наличия сведений о параметрах реального привода. Кроме того необходимо было оценить статическую и динамическую точность разработанного программного обеспечения.

Для проведения экспериментальных исследований приводов с кинематическим преобразователем был разработан испытательный стенд, изображенный на рис. 10 и соответствующий пакет программного обеспечения для выполнения экспериментов и последующей обработки их результатов.

Результаты некоторых экспериментов приведены на рис. 11-12.

На рис. 11 показан пример отработки позиционного перемещения с параболическим профилем тахограммы.

На рис. 12 приводятся диаграммы положения и ошибки по положению по координате х при отработке восьмиугольника со стороной 14 мм со скоростью 10 мм/с и при отработке окружности с диаметром 25 мм с контурной скоростью 2 мм/с. Как видно из диаграмм средняя ошибка отработки траектории по одной координате не превышает 10 цм, а максимальная ошибка при резком изменении скорости по координате на угловых участках при отработке ломаных фигур не превышает 30 рм, что не является приемлемым, в следствие чего для лазерных технологий кинематический преобразователь типа "винт-гайка" был заменен на кинематический преобразователь типа шариковая винтовая пара(ШВП). Максимальная ошибка снизилась до 20 цм.

Ряд экспериментов был посвящен определению влияния эквивалентного момента

вязкого трения и момента сухого трения, а также определению динамической составляющей сдвига поля. Основные параметры сведены в таблицу.

Таблица

Тип передачи Винт-гайка ШВП

Шаг передачи, мм/об 4 2.4

Целый шаг, цм 20 12

Дробный шаг, цм 0.3125 0.1875

Зона нечувствительности, др. шаг 19.9 29

Сдвиг поля для компенсации момента эквивалентного вязкого трения при 10 мм/с, др. шаг 49.5 66.5

Сдвиг поля для компенсации динамического момента, др. шаг/0.1 мм/с2 52

Максимальная ошибка за цикл 10 мм, др. шаг 130.7 101.7

Рассчитанные по результатам экспериментов параметры были включены в программный блок управления по модели.

При проведении экспериментов было отмечено, что штриховая система измерительной оптической линейки и зубчатая структура привода (двигателя и передачи) расходятся (последняя строка таблицы).

В разомкнутой системе мы опираемся на полюсную структуру машины как на систему координат, по которой ведется управление. При замыкании системы по датчику положения (ДП), установленному непосредственно на подвижной части ШД, ошибки расхождения координатных систем ШД и ДП существуют, но не оказываются слишком большими и управляющие воздействия, рассчитанные по датчику не выводят двигатель из синхронизма. При конструкции, когда датчик расположен не на двигателе, а на каретке кинематического преобразователя через зазор, вал с переменной жесткостью и редуктор с фактически переменным из-за технологических ошибок изготовления передаточным числом, ошибки расхождения систем могут достигать величин, когда управление по датчику становится невозможным из-за слишком больших управляющих воздействий, выводящих двигатель из синхронизма.

Были предложены следующие варианты решения проблемы: 1. Необходима постоянная коррекция координатной системы двигателя, например, сброс в ноль младшего байта номера электрического состояния двигателя при прохождении полюсного деления по датчику, т.е. смещение начала координат. При накоплении ошибок регулятор дополнительно к своим основным функциям организует их списывание. Возможно построение фаззи-регулятора. При таком решении алгоритмы интерполяции и управления не меняются, меняется только алгоритм регулятора. Одна-

ко, для реализации требуется более мощный процессор.

2. Алгоритмы планирования траектории, интерполяции и управления перестраиваются с учетом ориентации на датчик, а не полюсную структуру машины. Система замыкается. Двигатель работает в вентильном режиме. В качестве регулятора используется ПИД-регулятор, интегральная составляющая которого компенсирует указанную ошибку рассогласования систем датчика и двигателя. Также требуется более мощный процессор.

Скорость ротора (об/с) 18.6979

ДШИ-200 10

5

л !

I» I I .1.1 5 . "ИТ ! 1 » 1 | ; ; 1 | \

.,1.1 .,»?.■...'., .. —

■1 1 "1 —

-1 -1-'

0.399« 0,733$ 1.1394 1.5992

Воамя 1с)

Рис. 1 1

21ГГЙ ' ЛаоМ ' • 42.М00

Рис. 12

В заключении обобщены основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Разработан универсальный алгоритм позиционного управления разомкнутым дискретным электроприводом по модели с адаптивной структурой планировщика траектории позиционирования, позволяющий реализовать оптимальное по быстродей-

ствию управление с заранее заданными профилями тахограммы разгона-торможения, обеспечивающими улучшенные демпфирующие свойства и энергетические показатели, повышенные устойчивость и надежность работы, выбор зазоров в кинематической передаче при ее наличии.

2. Разработан пакет алгоритмов распределенного контурного управления с программной коррекцией в реальном времени по упрощенным математическим моделям дискретного электропривода для реализации линейных, круговых, параболических и комбинированных контурных перемещений, позволяющий воспроизводить основные технические контуры с постоянной и переменной контурной скоростью.

3. Разработаны методика и комплект программ для проведения автоматизированных экспериментов на оси многокоординатного дискретного электропривода, позволяющие определить точностные показатели алгоритмов многоосевого распределенного контурного управления и основные параметры привода с целью их дальнейшего использования в программных блоках управления по модели в реальном времени для рабочих программ позиционного и контурного движения, а также с целью их использования в математической модели привода, реализованной в пакете Simnon и позволяющей существенно облегчить процесс разработки новых рабочих программ.

4. Определены пределы показателей точности и быстродействия, достижимых в разомкнутом дискретном приводе с контроллером на базе маломощных восьмиразрядных микропроцессоров. Показана невозможность замыкания по выходной координате дискретного электропривода на базе вращающихся шаговых двигателей с кинематическими преобразователями типа "винт-гайка" и "шариковая винтовая пара" при использовании имеющихся контроллера и измерительного преобразователя. Предложены варианты решения проблемы замыкания привода на базе специализированных процессоров управления двигателями, основанные на введении подвижной системы координат, связанной с полюсной структурой двигателя, дискретное смещение начала координат которой компенсирует расхождение систем датчика и двигателя.

Основные положения диссертации отражены в публикациях:

1. Боярченков A.M., Козаченко В.Ф., Марченков С.А., Обухов H.A. Методы программного управления позиционным дискретным многокоординатным приводом для ГАП (Program Control Methods of the Positional Discrete Multi-coordinate Electric Drive for Flexible Automated Processes). // Конференция по силовой электронике и управлению движением (РЕМС'90). - Будапешт (BP), 1990г., 4с.

2. Марченков С.А. Принципы контурного управления многокоординатными электроприводами с шаговыми двигателями. // Коллоквиум Института силовой электроники и электропривода г. Зиген (ФРГ)- - Университет Зиген, 1993г., Юс.

-203. Балковой А.П., Козаченко В.Ф., Марченков С.А., Слквинская Г.А. Принципы управления позиционным и контурным электроприводом для задач компьютеризированного автоматизированного производства. II Международная конференция по проблемам преобразования электроэнергии (1РСС93). - Москва, МЭИ, 1993г., 2с.

4. Балковой А.П., Козаченко В.Ф., Майоров В.В., Марченков С.А., Обухов Н.А., Сливинская Г.А. Многокоординатный комплектный дискретный электропривод с микропроцессорным управлением для компьютерного интегрированного производства. // Вестник МЭИ №2, Москва, 1994г., 11с.

5. Марченков С.А., Сидорова И.В. Методика разработки и анализа алгоритмов управления дискретным электроприводом с использованием моделирования в пакете Бтпоп. - // Труды ин-та / Московский энергетический институт (Технический университет) - 1996 - Выпуск 674 - С.31-41.

Печ. л.^5 ................№ Зп^Щ

Типография МЭИ. Краенока.мрмс-ниаиЛз."