Устройство для управления электроприводом робота Советский патент 1990 года по МПК B25J13/00 

Изобретение относится к области робототехники и может быть испольэо- i вано для управления электроприводами роботов с переменными нагрузочными характеристиками.

Целью изобретения является повышение точности и быстродействия устройства за счет исключения влияния внешнего нагрузочного момента и ошибки, возникающей при о тработке 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 управленда, 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 17, блок 18 деления, второй выпрямитель 19, датчик 20 ускорения, блок 21 выборки и хранения, третий релейный 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.

СД

сл

W 00

J

OD

J1

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 задатчик 23 установлен положительный уровень сигнала, значение которого будет определено ниже. При этих условиях выходной сигнал блока 21 выборки-хране ния равен нулю. Второй функциональный преобразователь 32 реализует вычисления по формуле у - Vx. Поэтому с выхода сумматора 31 на первьй вход перйого блока 1 умножения поступает сигнал С, в начальный момент времени (исходное состояние.системы) также равный нулю. Сигнал S на выходе первого релейного элемента 3 равен

S Е„ + Е

С,

(О

где Е 1

(g - оО - сигнал рассогласования (ошибка) системы

,2

Е„

К„

по угловому положению, устанавливающийся на выходе сумматора 10; (g ) - сигнал рассогласования системы по скорости на выходе суммато ра 15;

коэффициент передачи редуктора 7,.

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

В исходном состоянии программные задающие сигналы g, g, g соответственно равны нулю. Как уже отмечалось на выходе блока 21 выборки-хранения в исходном положении системы сигнал равен нулю, следовательно, и на выходах выпрямителей 25 и 29 сигналы так же равны нули. В результате на электродвигатель 6 напряжение не подается.

Прежде чем перейти к непосредственному рассмотрению работы системы целесообразно получить и проанализировать 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 мала) описана следующей системой дифференциальных уравнений Е

Е,

(2)

Е- -а.

E-4-M+G-b-U

где

KMKW+ RKB ,

R

b

R

- и,

(Мви4 м

G -g

г signc)

+ a,- g, M

#-

JQ 15 0

о5

Q

„

45

( ) - символ дифференцирования по

времени; R - активное сопротивление якорной

цепи электродвигателя 6; 5 Км коэффициент крутящего момента; Кы-коэффициент противоЭДС; К у - коэффициент передачи усилителя

5 мощности;

Кв - коэффициент вязкого трения; Мвн внешний нагрузочный момент; Мт - коэффициент, пропорциональный

моменту сухого трения; суммарный приведенный момент инерции ротора электродвигателя 6 и вращающихся частей кинематической передачи; U - управляющий сигнал; g S 8 программные значения углового положения, угловой скорости и углового ускорения вращения выходного вала редуктора 7, подаваемые на соответствующие входы устройства. Полагаем, что 1. может дискретно принимать любые значения из диапазона Cl Анн, 1. млкЈ начале каждого рабочего цикла. Это имеет место во многих электроприводах манипуляцион- ных роботов, особенно у роботов, работающих в цилиндрической системе координат.

Для возникновения и существования скользящего режима работы необходимо соблюдение условия:

55

S - S О

(3)

Уравнение S E2+C-E1 0 задает в пространстве фазовых координат

51553376

Et и Кг гиперплоскость скольженияс учетом (2), (6) можно получить

(С 0 - коэффициент наклона гипер-

плоскости 8 0), вдоль которой про-g (-с2- Е1 - b- JE,| sig S +

текает скользящий процесс, описывав-. ,.+ с а, Е,)+ (G - b-K-)Gl х

мый для системы (2) уравнениемх sЈgn S) + (М - b K.lMVsign S)

(7) Ег -Е,-С.(4)

Очевидно, что для выполнения услоРешение уравнения (4), очевидно, юВия (3) с учетом равенства (7) должны

имеет вид -c(t-te)выполняться следующие соотношения: , ЕЛО FM(t0)-e , (5)

т.е. скорость затухания монотонного G-b-К, -|G|.Sig MS } 0 при S601 переходного процесса системы (2) в| (8)

скользящем режиме прямо пропорциональ-15 G-b-Кл-1 G|-sig NSj Ј О при 8}OJ на величине с.

Для выполнения (3) U сформируем в

виДе: M-b-K, -I sign S 0 при

(9)

U (|Е,| + KJM + Ка- G х20 M-b-K,-|M |sign S 0 при S 0

х sig NS .(6)

г

, - b-jEj. sign S + с а4-Е,0 при 8 0,)

г г (10)

-с -Е, - b -|Е, |-sign S + с - , 0 при 8 } О, J

Уяитывая преобразование:

)

)

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.

. |Е1 j-b-SiGNS Et-b-SiGN (S -E(),

.b.K,.SiGN - ,- SiGN-(S M.), |G|. b-Ka.SiGNS G -b -K,- SiGN (S G)

ti

для выполнения соотношения (8), $9),

(10), а следовательно, и неравенстваК 9

(3 ) необходимо и достаточно удовлетворения условийK-i

(-с + а,с - b-SiGN (S Е,)) }0 при (Е S) О,

. - 14

(-с + - b.SiGN(S- Е )) Ј 0 при (F - 8) О

t

Решая совместно неравенства (14) Таким образом, для организации

(при соблюдении указанного выше обя- 5°устойчивого скользящего режима в сизательного условия устойчивости сколь- стеме 2 протекающего с максимальЛЧно возможным быстродействием для тезящего движения С 0), определяем R значений варьируемого парамет- наибольшее возможное значение коэффи- с учетом т6 ся ресурсов управциента с в зависимости от текущеготт fe- ,. ..„.55ления U вида (6), необходимо коэйфиЗНЗ.Ч&НИЯ Т

% циент наклона с гиперплоскости пере-,

ключения рассчитывать по (15) J

С аг(15) + Ja(Ig) + h(T ) (15)° У46110 значений параметров а г(1т),

2 14 v j/ /ь (is)t определяемых по паспортным

(Ю

02)

(13)

Данным конкретного электропривода. - Коэффициенты К,, и Kj не влияют на Скорость затухания переходных процессов в системе (2). Однако выбор их Величин должен производиться строго S соответствии с условиями (12) и1 (13), поскольку в противном случае система не способна будет отработать программное задающее воздействие про- невольного вида без статической опиб- ки, парируя при этом влияние внешних возмущающих моментов.

При включении устройства и подаче rta его входы программных задающих воздействий g, g и g на выходах соответствующих сумматоров 10, 15 и 33 йоявятся сигналы ошибок системы по угловому положению- и угловой скоро-т фти - Е и EJ. В результате на выхо$е второго блока 4 умножения появится сигнал (подробно о формировании которого будет сказано ниже) U f (|Е, I + К,- + Кг- IGD-sign S, который подается на вход усилителя 5 14Ощности. В результате на электродви- з атель 6 поступает напряжение

ия KydE, | + КГ +

+ l-sign-S (16)

йри этом выходной вал электродвигателя 6 начинает вращаться в направлении, соответствующем уменьшению ошибки системы по угловому положению Е. В общем случае нагрузочный момент М , приведенный к валу элеКтродвига- феля 6, складывается из моментов су- з{ого трения Мстр Mr-signd(, вязко- ii-о трения 1 в К в о(« и внешнего на- грузочного момента Мвн:

М„ МСТР+ Мв+ Мвн.

(П)

Такой характер приложения момент- ных нагрузок имеет место в довольно йироком классе систем управления, В том числе и в следящих системах манипуляциоиных роботов, обеспечиваю- Ицих поворот относительно вертикальной оси.

Для электродвигателя 6 постоянного тока независимого возбуждения справедливо, соотношение:

50

ния вала электродвигателя 6;

Мдмн - величина динамического момента;

i - якорный ток электродвигателя 6. (18) следует, что

-1 о( $

М

(19)

4 ни

Соотношение (19) используется для оценки текущего значения величины,

Коэффициент усиления датчика 14 тока совместно с коэффициентом усиления по второму входу сумматора 26 устанавливается равным Км, коэффициент усиления по инвертирующему входу сумматора 26 устанавливается равным Кв, по третьему инвертирующему входу - равным 1. Если при этом коэффициент усиления по первому входу сумматора 13 равен Мт, а по второму входу - Мвм (константе, равной максимально возможной, по техническим условиям работы системы, величине внешнего нагру- зочного момента), и при этом второй релейный элемент 16 с нулевой нейтральной точкой реализует функцию SiGN- oCo , то на выходе сумматора 26 формируется сигнал Мдмк K//w-i,- MH соответствующий знаменателю (19). Уровень выходного сигнала задатчика 23 устанавливается равным 1.

Первый функциональный преобразователь 17 реализует функцию

Fi |МЛИН I при |МАМН У и , и при I Мдцн ,

(20)

где и - малая положительная константа.

При fMдмн блоке 18 деления вычисляется отношение модулей величин j Ы а |и 1МАЦН |, т.е. определяется значение . При малых значениях 1МдЦН1 Јй в блоке 18 деления осуществляется деление на Л. Этим устраняется один из недостатков системы-прототипа - ситуация Деление на ноль.

Третий релейный элемент 22 реализует функцию

FJ -1 при |МЛИН1 У и , О при 1НДНН| g Д ,

(21)

91553376

При сигнале 1 на выходе третьего релейного элемента 22 блок 21 выбори31

ки-хранения передает с единичным коэффициентом усиления сигнал с выхода блока 18 деления на вход сумматора 28, при сигнале 0 на выходе блока 21 выборки-хранения хранится уровень сигнала, имеющий место в момент переключения третьего релейного эле- «л мента 22.

Таким образом, на выходе блока 21 выборки-хранения при значениях мдм и и будет сигнал, равный текуще .

и подается на первый вход сумматора 31 с коэффициентом передачи по этом

входу, равному 1. Коэффициент перед чи по второму входу сумматора 31 ус танавливается равным (KM-KCJ+ R х х Кв) 0,5 - в результате на вых де последнего формируется сигнал

cd.)

(К,м- Кц+ R -Кв) 2 R 1„

му , при МЛНН| л- равен Js:J(tn), где (t) - момент времени, при котором величина модуля )ЙАНИ| входит в область -Д, +л

В процессе движения электродвигателя 6 при некоторой комбинации зна- и Е„ происходит смена знака

15

&

(КмКы R Кв) 2 R I.

i)U

гл

к,- к,

R I.

20

чений Е1 и Е2 сигнала S Е2+ С- Е,, вызывающая переключение первого релейного элемента 3. Согласно (6) сигнал U на входе усилителя 5 мощности сменит знак, 25 а значит изменится и полярность напряжения ия на электродигателе 6,.т.е. последний начнет вращаться в противоположную сторону, и через некоторое

точно соответствующий выражению (15 Следует отметить, что коэффициенты в подкоренном выражении формулы (15 принимаются только положительные зн чения, следовательно, операция извл чения квадратного корня во втором функциональном преобразователе 32 в полняется корректно. Отметим также то, что настройка выходного сигнала задатчика 23 и коэффициента передач по второму входу сумматора 13 могут быть и другими, важно лишь оставить тем же результат произведения уровн

время соотношение между Е1 и ЕЗ снова зо выходного сигнала задатчика 23 на

изменится .и опять сигнал S сменит знак, первый релейный элемент 3 переключится и т.д. В результате возникает скользящий режим и система движеткоэффициент передачи по второму вхо ду сумматора 13, равный максимально

возможной величине М

внКоэффициенты передачи по первым ся в сторону уменьшения ошибки углово- входам блоков 24 и 27 умножения, по

го положения Е1, т.е. отрабатывает заданный закон программного движения g. Для обеспечения устойчивого возникновения и существования скользящего режима, протекающего с максимально 0 возможной скоростью для текущего значения 1гмм„ , как и было указано, коэффициент с должен рассчитываться по выражению (15) с учетом

1

Для этого коэффициент передачи по второму входу сумматора 28 настраивается равным KM-Ky-Kp-R, по первому входу - равным 1. Коэффициент пе- 50 редачи по входу кьадратора 30 равен 0,25 - (Км К ш + R-RB).R 1. Таким образом, на выходе второго функционального преобразователя 32 формируется сигналсе

первому и второму входу сумматора 1 по втор ому входу сумматора 15, по входам выпрямителей 11, 19, 25 и сум матора 26, по второму входу суммато 34, по первому и второму входам пе вого блока I умножения, по первому второму входам второго блока 4 умно жения и сумматора 2 настраиваются соответственно равными 1.

Коэффициенты передачи по второму входу третьего блока 24 умножения и первому входу сумматора 15 настраиваются равными Кр, а по второму вход четвертого блока 27 умножения - рав- иым КМ- Ки;+ Гч -Кв) - R-1

Если при этом коэффициент передач по первому входу сумматора 34 равен К15 а по третьему входу - Kls приче значения К и К удовлетворяют условиям (12) и (13) для конкретных паспортных данных электропривода робота а первый релейный элемент 3 реализуе функцию SiGNS, то на выходе второго блока 4 умножения сформируется сигна

{(

(Км- Кы+ R -Ka) К«-Ку Kf 2 -R -Ic- / R -1.Г

10

и подается на первый вход сумматора 31 с коэффициентом передачи по этому

входу, равному 1. Коэффициент передачи по второму входу сумматора 31 устанавливается равным (KM-KCJ+ R х х Кв) 0,5 - в результате на выходе последнего формируется сигнал

cd.)

(К,м- Кц+ R -Кв) 2 R 1„

&

(КмКы R Кв) 2 R I.

i)U

гл

к,- к,

R I.

точно соответствующий выражению (15). 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

внКоэффициенты передачи по первым входам блоков 24 и 27 умножения, по

Коэффициенты передачи по первым входам блоков 24 и 27 умножения, по

первому и второму входу сумматора 10, по втор ому входу сумматора 15, по входам выпрямителей 11, 19, 25 и сумматора 26, по второму входу сумматора 34, по первому и второму входам первого блока I 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 Кр, а по второму входу четвертого блока 27 умножения - рав- иым КМ- Ки;+ Гч -Кв) - R-1

Если при этом коэффициент передачи по первому входу сумматора 34 равен К15 а по третьему входу - Kls 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

и - (IE., | + к , IM) + к1 IGI) х

х SIGNS, точно совпадающий по виду с выражением (6).

Из изложенного следует, что за счет дополнительно введенных блоков и связей в предложенном устройстве уп равления электроприводом робота с переменной структурой при значении НАНН{ Л выполняется адаптивная под- стройка управляющего воздействия и положения гиперплоскости скольжения S 0 в пространстве- фазовых координат Е,, и Е- на основе оценки величины , чем достигается максимальное быстродействие устройства при отработке последней произвольного вида программного задахяцего воздействия и при наличии значительных по величине внешних возмущающих моментов (сухого и вязкого трения, внешнего нагрузочного момента).

При входе в область | (,& подстройка коэффициентов прекращается. Однако за счет выбора соответствующей величины 4 появляющаяся при прекращении адаптивной подстройки погрешность всегда может быть сведена к величине, допустимой по условию технической эксплуатации данной системы, так как 4 может быть выбрана практически очень малой величиной.

Формула изобретения

Устройство для управления электроприводом робота, содержащее блок деления, последовательно соединенные первый блок умножения, первый сумматор, первый релейный элемент,-второй блок умножения, усилитель мощности и электродвигатель, кинематически связанный непосредственно с датчиком скорости и через редуктор - с объектом управления и с датчиком положения 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 блока умножения, выход электродвигателя подключен к входу датчика тока выход датчика скорости соединен с входом второго релейного элемента,

5 0

5 0

5

0 5 Q

выход которого подключен к первому входу третьего сумматора, отличающееся 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 пятьй 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 сумматора, 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- , ключей 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 выпрямителя, 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.

10

L

Составитель Е. Политов Редактор О. Спесивых Техред М.Дидык Корректор ,В. Кабаций

Заказ 427

Тираж 687

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

/п

34

Подписное