Самонастраивающийся электропривод робота Советский патент 1991 года по МПК B25J13/00 

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании приводов роботов.

Цель изобретения - повышение точности устройства

На чертеже представлена функциональная схема устройства.

Самонастраивающийся электропривод робота содержит первый сумматор 1, инерционное дифференцирующее звено 2, блок 3 умножения, второй сумматор 4, первый усилитель 5; электродвигатель 6, датчик 7 тока, третий сумматор 8, интегратор 9, датчик 10 скорости, ре-: дуктор 11, объект 12 управления и датчик 13 положения, апериодическое звено 14, первый блок 15 деления, четвертый сумматор 16, второй блок 17 деления, пятый сумматор 18, шестой сумматор 19, второй усилитель 20, релейный элемент 21 типа реле с ну. левой нейтральной точкой, блок 22 выборки и запоминания, первый выпрямитель 23. второй выпрямитель 24, релейный элемент 25 с зоной нечувствительности, задатчик 26 сигнала, блок 27 коррекции.

Электропривод работает следующим образом.

Если на вход первого сумматора 1 податью сигнал g, 0 с выхода блока, 26, то на выходе первого сумматора появится отличный от нуля сигнал Q , который корректируется с помощью элементов 2-4 и 14 и усиливается в усилителе 5 мощности. Усиленный сигнал U поступает на вход электродвигателя 6, приводя его вал во вращательное движение с направлением скоростью и ускорением, зависящими ; от . Первый, второй и третий отрицательные входы первого сумматора 1 соответственно со стороны датчика 13, датчика 10 и сумматора 19 имеют коэффициенты усиления Б«,ВдИ D.

(Л

О5

00

С& 4ь

со

Значения этих коэффициентов D- ( 1 ,2,3) рассчитываются по методу аналитического конструирования оптимальных регуляторов.

Г1ри этом, при рассчитанных коэффициентах D j const для стационар-, ной системы с номинальными параметрами обеспечивается минимизация квадратичного критерия качества, т.е. обеспечивается максимальная точность. При этом сигнал Ј определяется в виде:

Ј о((о -оО+о2(с%-оЬ + ,

+ D3(iA- i),

где Oi(t) ,0i,j,(t) и i(fc) - соответственно желаемые функции изменения во времени положения выходного вала редуктора, скорости вала двигателя и его якорного тока, которые могут быть предварительно рассчитаны различными способами.

Эти функции могут быть заданы как в аналитической, так и в численной (табличной) форме и располагаться на любом носителе информации. Практическая реализация функций осу- ществляется блоком 26.

Из выражения для $ непосредственно следует

Q

5

0 5

лирования и конфигурации исполнительного органа. В результате возникает двуединая задача предварительной стабилизации динамических свойств к соответственно параметров привода с . помощью самонастраивающихся регуляторов, а затем проектирования стационарного оптимального регулятора для стационарной системы с застабилизирован- ным с помощью самонастраивающейся коррекции параметрами.

Рассмотрим работу коррекции, стабилизирующей параметры электропривода.

Как указывалось, изменение момента инерции нагрузки ухудшает точность работы всего устройства. Следовательно, устройство управления должно обеспечивать системе инвариантность к переменным параметрам нагрузки.

Последовательное корректирующее звено вида

-|г + D

j N9M

П(Р) -йгт-i---

(D

где Т « 1, Т const, позволяет за- стабилизировать параметры передаточной функции прямой цепи электропривода. С учетом П(Р) она принимает вид

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано i при создании электроприводов роботов. Целью изобретения является повышение точности самонастраивающегося привода. В электропривод дополнительно введены блок деления, два выпрямителя, блок выборки и запоминания, усилитель, три сумматора, блок умножения и два релейных элемента, обеспечивающие высокую точность управления за счет использования информации о текущем значении всех фазовых координат приводов. 1 ил.

Ј 8ос D2 +

+031ж)-ф,о( + D2tf + Dji),

где g - сигнал входного воздейст- вия формируется блоком 26 и подается на вход первого сумматора 1, имеющего единичный коэффициент усиления ;

g ос сигнал обратной связи. . Однако для манипуляционных и многих других промышленных систем условия стационарности (постоянства параметров) не выполняются. В результате синтезированный линейный /регулятор| с определенными заранее D const (i 1,2,3) уже не обеспечивает традиционной системе оптимальную точность, так как парамеры этой системы (в частности/ момент инерции I, приведенный к валу двигателя) могут изменяться для роботов в зависимости от массы объекта манип

35

oi(t)

W(P) - KJT(TP+1)x

P +1).

(2)

где R..,La - соответственно активное и индуктивное сопротивления якорной обмотки двигателя;

Кэй - конструктивный коэффициент .электродвигателя; К 9 - коэффициент усиления. Из выражения (2) видно, что параметры передаточной функции W(P) являются постоянными, не зависящими от переменных параметров момента инерции нагрузки. Так как величина I в выражении (1) является переменной, то необходимо подстраивать, этот параметр под соответствующее текущее значение I в приводе.

В рассматриваемых устройствах полагается, что величина I изменяется только при переходе от одного рабочего цикла к другому. Причем момент51ное воздействие на привод обусловлено только инерционной составляю- . (щей (пропорциональной ускорению) а также составляющей сухого и вязкого трения (это имеет место во многих механизмах).

В указанных случаях для типовых электродвигателей справедливо равенство

(iK9M-/MTp/sign(i-KBob/ I)-li j

(3

де М

Тр - момент сухого трения; Кв - коэффициент вязкого трения. Из выражения (3) следует t

jЈj

эм

{ ,.(МТ0 . KB v ,

} (l- - Slgntf- ---oOdt

to чK.2J4 K2M

.

(4)

Выражение (4) формируется на выходе блока 15 деления в предположении, что передаточная функция интегратора 9 имеет вид ) 1/р.

Действительно, если элемент 21( описывается выражением /M /sign оЈ первый и второй входы сумматора 16 соответственно со стороны усилителя 20 и элемента 21 имеют коэффициенты

.усиления --- и 1/Кэ/Л, а положительК

эм

ный и отрицательный входы третьего сумматора 8 имеют единичные коэффит циенты усиления, то на выходе сумматора 8 формируется сигнал

l jMalsig.-ML,

кэ

.Ј.§

КЗМ

Полагая, что передаточная функция инерционного дифференциального звена 2 имеет вид

W,(P) ( Р)/(ТР-И), кэм

на выходе блока умножения имеем сигнал, равный

Ј,. р/.(тр+п

SM

Поскольку передаточная функция апериодического звена 14 имеет вид Wj«.(P) S, e 1/(ТР+1), то передаточная функция прямой цепи электропривода между выходом первого суммато- ра Т .и входом усилителя 5 определяется выражением

, RЈI

(

к2

Р -Н)/(ТР+1),

9М

1618643 - . когих

х ен

3)

ния.

,

dt

.

4)

ыеегЈ 6 ля ты

ельот мацияена

1C

15

20

которое точно совпадает с выражени- i ем (1) (полагается, что первый и

. второй входы сумматора 4 имеют единичные коэффициенты усиления).

Следовательно, переменный параметр I в последовательном корретирующем устройстве П(Р) изменяется с помощью блока 3 умножения и устройства оценки переменного I, подстраиваясь под требуемое (текущее) значение. Это позволяет обеспечить достижение инвариантности качества работы электропри вода к изменяющемуся параметру момента инерции нагрузки

Для качественной и устойчивой работы блока 15 при измерении I в соответствии с формулой (4) необходимо обеспечить постоянные знаки входных сигналов. С этой целью во входных каналах блока 15 включены выпрямите- 25 ли 23 и 24. При этом для сохранения работоспособности блока 15 (с целью недопущения деления на малый сигнал) выпрямитель 23 выполнен так, что при уменьшении его входного сигнала ниже установленного уровня Л выходной сигнал имеет минимально допустимую величину.

При уменьшении скорости движения ot ниже некоторого допустимого значения U релейный элемент 25 перево- 35 дит блок 22 в режим Запоминание. На выходе блока 22 сохраняется то значение момента инерции, которое измерено в момент отключения релейного элемента 25. При увеличении скорости движения в некоторый момент (определяется значением Л) вновь срабатывает релейный элемент 25,. блок 22 переводится в режим Слеже30

40

ние и опять воспроизводит текущее

значение момента инерции. Это обеспечивает устойчивое состояние системы. При отключении элемента 25 (скоростью движения ос меньше А ) может произойти изменение истинного (текущего) значения момента инерции на некоторую величину. Это может привести к снижению качества работы привода. Однако величина Л является достаточно малой, т.е. рабочие скорости находятся далеко за указанным пределом , а уменьшение оЈ до величины U возможно только перед остановой и реверсом привода. В случае измене

ния момента инерции в режиме остановки электропривода по истечении некоторого малого промежутка времени качественные показатели электропривода i будут полностью восстановлены.

Включение выпрямителей 23 и 24 не- изменяет сущность работы системы, так как момент инерции может иметь только положительную величину.

Для реализации оптимальной коррекции, исходя из стандартного подхода, необходимо сформировать сигнал вида ff gjK - goc т.е. на первый, второй и третий входы первого сумма- тора 1, необходимо подать сигнал j соответственно с датчиков 13, 10 и 7. Однако это привело .бы к нарушению условия инвариантности привода к переменному I, которое уже обеспечивалось ранее за счет введения самона страивающейся коррекции П(РУ (1). Следует отметить, что это нарушение было бы обусловлено только подачей сигнала со стороны сумматоры 19 на вход сумматора 1.

Истинное значение i при текущем значении I отличном от номинального,

не совпадает со значением i для 1ЛА1..

ном

Но оптимальная коррекция по методу АКОР синтезируется в предположении, что величина i соответствует 1цом const. С учетом этого синтезируется и D-. Используемая самонастраивающаяся коррекция П(Р) обеспечивает стабилизацию динамических свойств привода при различных значениях I, только при соответствующей корректи- .ровке величины 1. Таким образом, формирование окончательного регулято ра необходимо осуществлять с учетом указанного факта. Следует отметить, что и величина i должна формировать ся для I IHow,a не иначе. При этом

Ke)/KJM.

Таким образом, после решения задачи стабилизации параметров передаточной функции прямой цепи электропри-. вода необходимо решить еще и нбвую задачу формирования таких сигналов управления (в частности по текущему значению тока электродвигателя), при котором указанная стабилизация не нарушается, да к тому же обеспечивается и существенное повышение точности работы привода.

0

5

0

5

Действительно, из выражения (3) следует, что измеряемое датчиком 7 значение равно

. IP.ti+/Mttp| Kert i

1 --v -- ------- --- J КЭМ

После вычитания в сумматоре 18

из i сигнала ---- signed + К«С ,

f5M . формируемого на выходе сумматора 16,

на выходе сумматора 18 имеем сигнал IP2/K эм (коээфициенты усиления входов сумматора 18 единичные). После деления этого сигнала в блоке 17 на сигнал I/K9Wc выхода блока 22 на выходе блока 17 формируется сигнал РеС. Полагается, что коэффициент уси ления положительного входа сумматора 19 со стороны блока 17 деления равен IHoW/K9, а коэффициент усиления положительного входа со стороны сумматора 18 единичный. Тогда на выходе сумматора 16 имеем

4 ; i %

iaowEJ i- lrpLsisnpLi-Kgrt

т,г

К

м

30

35

40

45

50

55

Этот сигнал соответствует искомому (требуемому) значению тока, необходимому для формирования оптимального по точности регулятора (в частности обратной связи по фазовой координате тока).

Несложно убедиться, что полученный сигнал соответствует назначаемо- , му желаемому значению i для How.

Таким образом, в рассматриваемом - самонастраивающемся электроприводе удалось не только обеспечить стабилизацию его динамических свойств (а следовательно, и качественных показателей) ,но и обеспечить высокое качество (точность) управления за счет использования информации о текущих f значениях всех фазовых координат привода. i

Форм у л а изобретения

Самонастраивающийся электропривод робота, содержащий первый блок деления, последовательно соединенные первый сумматор, блок коррекции, первый блок умножения, второй сумматор, первый усилитель и электродвигатель, кинематически связанный1 с датчиком ;скорости непосредственно и через ре16

дуктор с датчиком положения, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, при этом второй выход блока коррекции соединен с вторым входом второго сумматора, а выход электродвигателя через последовательно подключенные датчик тока и третий сумматор соединен с входом интегратора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности электропривода, он дополнительно содержит первый и второй выпрямители, первый релейный элемент, последовательно соединенные второй усилитель, четвертый сумматор, пятый сумматор, второй блок деления и шестой сумма- :тор и последовательно подключенные ;второй релейный элемент и блок вы «- борки и запоминания, выход которого соединен с вторым входом первого блока умножения и второго блока деле10

643 10

ния, а второй вход - с выходом первого блока деления, подключенного первым входом к выходу первого выпрямителя, а вторым входом - к выходу

второго выпрямителя, вход которого соединен с выходом интегратора, второй вход четвертого сумматора подключен к выходу первого релейного элемента, а выход - к второму входу третьего сумматора и к.второму входу шестого сумматора, соединенного выходом с вторым входом первого сумматора, третий вход которого подключен к выходу задатчика сигнала, а четвертый вход - к входу первого и второго релейных элементов, первого выпрямителя, второго усилителя и выходу датчика скорости, а второй вход пятого сумматора соединен с выходом датчика тока.

15

20