Устройство для управления электроприводом робота Советский патент 1991 года по МПК B25J13/00 

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано, при создании электроприводов роботов с переменными нагрузочными характеристиками.

Целью изобретения является улучшение динамических характеристик за счет компенсации влияния электрической постоянной времени электродвигателя.

На чертеже представлена функциональная схема устройства, на которой показаны: первый блок 1 умножения, первый сумматор 2, первый релейный элемент 3, второй блок 4 умножения, усилитель 5 мощности, электродвигатель 6, датчик 7 скорости, редуктор 8, объект 9 управления, датчик 10 положения, второй сумматор 11, первый выпрямитель 12, датчик 13 тока, второй релейный элемент 14, третий сумматор 15, задатчик 16 сигнала, четвертый сумматор 17, первый функциональный преобразователь 18, третий релейный элемент 19, блок 20 выборки и запоминания, датчик 21 ускорения, второй выпрямитель 22, блок 23 деления, пятый сумматор 24, второй функциональный преобразователь 25, шестой сумматор 26. первый квадратор 27, третий блок 28 умножения, третий выпрямитель 29, седьмой сум- матор 30, четвертый блок 31 умножения, восьмой сумматор 32, девятый сумматор 33, четвертый выпрямитель 34, десятый сумматор 35, пятый блок 36 умножения квадратор 37, одиннадцатый сумматор 38, шестой блок 39 умножения.

Устройство для управления электроприводом робота работает следующим образом.

В исходном состоянии на выходах датчиков 7, 21 и 13 угловой скорости, углового ускорения и тока электродвигателя 5 сигналы равны нулю. На выходе датчика 10 углового положения сигнал соответствует фактическому угловому положению выходного вала редуктора 8. При этих условиях на инвертирующем входе сумматора 24 и на втором положительном входе сумматора 38 сигнал также равен нулю. На выходе задат- чика 16 сигнала установлен положительный уровень сигнала, значение которого будет определено ниже. Функциональный преобразователь 25 реализует вычисления по

5

Ё

Os

fc

Ј 00

формуле у Vx. Поэтомус выходу сумматора 26 на первый вход блока 39 умножения и через квадратор 37 на вход блока 1 умножения поступают положительные сигналы, обозначенные соответственно, С2 и Ci.

Сигнал S на входе релейного элемента 3 равен

S E3 + C2E2 + CiEi(1)

где EI (g-а)-сигналрассогласования (ошибки) системы по угловому положению, устанавливающийся на выходе сумматора 2;

Е2 -() сигнал рассогласования системы по скорости на выходе сумматора 30;

ЕЗ (g-OgKp) - сигнал рассогласования системы по угловому ускорению на выходе сумматора 35;

Кр - коэффициент передачи редуктора 8.

В исходном состоянии программные задающие сигналы g, g, g, g , соответственно равны нулю.

Как отмечено выше, на выходе блока 20 в исходном положении сигнал равен нулю, а следовательно, и на выходах выпрямителей 29 и 34 сигналы также равны нулю.

В результате на электродвигатель 6 в исходном состоянии напряжение не подается.

Динамика нескорректированного электропривода постоянного тока с учетом электрической постоянной времени электродвигателя может быть описана (в силу введенных выше обозначений) следующей системой дифференциальных уравнений:

(

Е2 ЕзГ

Ёз -а2 Е2 - азЕз + М + G - b и J

ГА (КмКц «-1св) R KI

М

ь.;т

R «.в

а ч Т

I ъ L 3.

Л)

М Р Ki.

LO

K6 const,

Ь ЛР

М R (Метр + Мвн), () - символ дифференцирования по времени.

В системе (2) также использованы следующие обозначения: R, L - соответственно активное и индуктивное сопротивление якорной цепи электродвигателя б: Км - коэффициент крутящего момента; К w - коэффициент противо-ЭДС; Кв - коэффициент вязкого трения; Ку- коэффициент передачи усилителя 5 мощности, МВн - внешний нагрузочный момент, Метр - момент сухого

трения, |г - суммарный момент инерции ротора двигателя и вращающихся частей кинематической передачи; U - управляющий сигнал; g, g, g, g - программные значения углового положения, угловой скорости, углового ускорения и ее производной вращения выходного вала редуктора 8, подаваемые на соответствующие входы устройства. Полагаем, что Ijr может дискретно принимать любые значения из диапазона МТ $.мин, вначале каждого рабочего цикла. Это имеет место во многих электроприводах манипуляцион- ных систем.

c Для возникновения и существования скользящего режима работы необходимо соблюдение условия:

S S О,(3)

где уравнение S Ез + С2Е2 + CiEi 0 заQ дает в пространстве фазовых координат EI,

Е2, Ез гиперплоскость переключения,

и Cj 0 некоторые коэффициенты.

Для выполнения (3) U сформулируем в

. ВИДв:и-{/Ј,/+кЛм / ка/с/)5 s. ч . щ

Несложно показать, что с учетом (4), (2) можно получить

0 5-(С,-с -аг+а3с2}е2(о3-сг) с, Lb/gl/-5(an5 + M-b.k1/Mfr/5 5 + .G-bk2/Q/5 s.(5)

5

Очевидно, что для удовлетворения (3) должны выполняться следующие соотношения:

(о3-с2.с,/,

С, --с|-аэс2 + аг 7 {

5

L i Кг

$ м LO.

kp ( к

М

(6) (7) (8)

(9)

Выражения (6) и (7) получают из первых двух слагаемых в квадратных скобках выра0 жения (5). Неравенство (8) получено из третьего слагаемого в (5) с учетом выражений для в, М , М, а неравенство (9) вытекает из последнего слагаемого (5) с учетом выражения G. Очевидно, что при t Var (изме5 няющегося от одного рабочего цикла к другому) соотношение (7) без введения специальных средств подстройки коэффициентов Ci и Cz в зависимости от текущего значения t нарушается, В результате при использовании управления вида (4) традиционный подход формирования систем с переменной структурой не позволяет сохранить устойчивый скользящий режим работы. В данном случае требуется вводить самонастройку Ci и Са для неизменного вы- полнения уравнения (7) при любых текущих значениях Ijr и с учетом электрической постоянной времени электродвигателя.

Для устойчивого движения по гиперплоскости прежде всего необходимо, чтобы Ci 0 и Са 0. В этом случае за счет выбора Ci и С 2с учетом (7)удается добиться и монотонного убывания переходного процесса по закону

е,(ъ)А,.е, (10)

где AI и А2 - некоторые постоянные интегрирования, зависящие от начальных условий;

AI и Аа - корни характеристического уравнения . Абсолютная величина AI и Аа и определяет скорость убывания EI .

В результате задача повышения быстродействия и точности системы сводится к выбору таких значений Ci и С2 удовлетворя- ющих (7), при которых обеспечивается монотонный характер переходных процессов и максимальная скорость затухания (10). Очевидно, что неравенства (8) и (9) не сказываются на выборе Ci и Са. а следовательно, и на быс- тродействие скользящего режима работы.

Для получения максимальной скорости затухания (но без перерегулирования) EI должно выполняться условие:

с,4-с г

вид:

(11) В этом случае выражение (10) примет

Ј(tHWt).e(Ci/2)t,

(12)

т. е. скорость затухания EI будет пропорциональна величине Са. увеличиваясь с ростом Са.

Из уравнения (7) с учетом (11) имеем

тС2-а сг + аг 0.

Ъ

(13)

Непосредственно из (13) можно определять максимально возможное значение С%)

CtW-|ta((3,

(14)

при котором согласно (12) будет иметь мес- то максимальная скорость затухания EI .

Как было отмечено, для устойчивого возникновения и существования скользящего режима необходимо, чтобы одновременно с уравнением (7) удовлетворялись и

другие соотношения - (6), (8) и (9). Выполнение условия (6) для всего диапазона изменения Са Or) при 1Ј.Ј,мин.акс не трудно обеспечить за счет выбора соответствующего значения коэффициента Ку передачи усилителя 5 мощности системы, поскольку с учетом (2), (11), (14) условие (6) можно переписать в виде1

Згмакс 1 1)3 , 2 , К 27 К ЛГ-3Г ° D) 21)/

а L( км JgiMKH)

Э лМ3(KMKu)RKe IR 3aw«,L-K«04

15

20

25 30

40

45

0

ь

(15)

По соотношению (15), имея паспортные данные конкретного электродвигателя, не сложно определить требуемое значение Ку, которое бы для любого .акс удовлетворяло условию (6). По выбранному таким образом Ку легко определить и требуемое значения коэффициентов Ki и Ка, удовлетворяющие условиям (8) и (9)

Таким образом, получены и проанализированы соотношения, выполнение которых позволит с учетом электрической постоянной времени электродвигателя организовать устойчивое возникновение и существование скользящего режима работы, протекающего с максимальной скоростью для текущего значения 1 , а значит и сохранить монотонный характер протекания переходных процессов при произвольном типе программного задающего и возмущающих воздействий.

Устройство работает следующим образом.

При включении последнего и подачи на его входы программных задающих воздействий д, ф, д и д на выходах соответствующих измерителей рассогласования выявляются сигналы ошибок EL Ј2, ЕЗ В результате на выходе второго блока 4 умножения появится сигнал U (|Ei | + Ki |M I + Ka I Gl)SgnS, подаваемый на вход усилителя 5 мощности. На вход электродвигателя 6 с усилителя 5 мощности поступает напряжение

VS + + MCi(, (16)

при этом выходной вал электродвигателя 6 начинает вращаться в направлении, соответствующем уменьшению ошибки системы по угловому положению EI . Будем считать, что нагрузочный момент Мн , приведенный к валу электродвигателя 6, складывается из моментов сухого трения -Sgn dg , вязкого трения Мв KB -Од и Мвк - внешнего нагрузочного момента, т. е.

СТр+МвЧ-МвН .(17)

где Мт-коэффициент; пропорциональный моменту сухого трения.

Такой характер приложения моментальных нагрузок имеет место в довольно широком классе систем управления, к примеру, в следящих системах манипуляцион- ных роботов.

Для электродвигателя 6 постоя иного тока справедливо соотношение:

V°Y

;-AAU M,

9ИМ (18) где Од, Од - угловая скорость и ускорение вращения вала электродвигателя 6;

Мдин величина динамического момента;

I - якорный ток двигателя. Из (18) следует, что

3

-I

/и

дин

(19)

Соотношение (19) используется для оценки текущего значения величины |Ј .

Коэффициент усиления датчика 13 тока совместно с коэффициентом усиления по входу сумматора 17 устанавливается равным Км коэффициент усиления по инвертирующему входу сумматора 15 устанавливается равным Kg, по его инвертирующему входу - равным 1.

Если при этом коэффициент усиления по первому входу сумматора 32 равен Мт, а по второму входу - Мен (константе, равной максимально возможной по техническим условиям величине внешнего нагрузочного момента, и при этом второй релейный элемент с нулевой нейтральной точкой 14 реализует функцию SgnOg , то на выходе сумматора 17 формируется сигнал (Км -i-MH), соответствующий знаменателю (19). Уровень выходного сигнала задатчика 16 сигнала устанавливается равным 1 (например, 1В).

Первый функциональный преобразователь 18 реализует функцию

|т,/пР /Мдии/ Ь,

1ри / М«ии/ 6 А ,

4(20)

где А- малая положительная константа.

При I Мдин I Д в блоке 23 деления вычисляется отношение модулей величин

Од и Мдин, т. е. определяется значение lЈ. При малых значениях I Мдин I А в блоке 23 осуществляется деление на А. Этим устраняется ситуация деление на ноль.

Третий релейный элемент 19 реализует функцию

jf f

Г/м,.„

11 ч

{

при /МдЙИ/ Л О при /М9„и / 6Д

(21)

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

При сигнале 1м на выходе релейного элемента 19 блок 20 выборки-хранения передает с единичным коэффициентом сигнал с выхода блока 23 деления на инвертирующий вход сумматора 24, при сигнале на выходе блока 20 хранится уровень сигнала, имевший место в момент переключения элемента 19.

Таким образом, на выходе блоке, 20 выборки и хранения при значениях модуля I Мдин I 0 будет сигнал, равный текущему

|ЈЛ при I Мдин I A- IjT tn) , где tn - момент времени, при котором величина модуля I Мдин I входит в область -АдЛ.

В процессе движения электропривода при некоторой комбинации значений EI, Е2, Ез происходит смена знака сигнала S, вызывающая переключение релейного элемента 3.

Согласно (4), сигнал U на выходе усилителя 5 мощности сменит знак, скорость cig и ускорение (Хд уменьшатся, и снова сигнал S сменит знак, релейный элемент 3 переключится и т. д. В результате возникает скользящий режим. Для обеспечения устойчивого скользящего режима, протекающего с максимально возможной скоростью для текущего значения Ј б мин, We как и было указано выше, Ci и С2 должны быть связаны соотношениями (6), (7) и (11). Следовательно, величи- ну коэффициента Сг (Ц) необходимо определять из уравнения (14) с учетом выражения (2).

Коэффициент передачи по инвертирующему входу сумматора 24, подключенного к выходу блока 20 выборки и хранения, настраиваются равным (KMKw+R-Ke) L по

входу- равным 1. Коэффициенты передачи

по положительным входам сумматора 38 нао р страиваются соответственно равным т и

2

Кв. Таким образом, на входе первого квад2 R Кя J- ратора27формируется сигнал

эффициенты передачи по входам сумматора 26 равны 1. С учетом этого на выходе последнего сигнал равен Са (соответствует выражению (14)). Второй квадратор 37 реализует формулу (11). Параметр Ку выбирается по выражению (15) на основании конкретных паспортных данных электродвигателя 6 и редуктора 8 так, чтобьмтрследнее удовлетворялось при любых Ь€ 1«мин. 1-.макс

Необходимо отметить, что в практических задачах выполняется условие 4/-R , Кв Л /КмКж+РКвг, L fe

-; поэтому лодкоренное выражение в (14) больше нуля, и операция извлечения корня в функционалу ном преобразователе 25 выполняется корректно. Отметим также, что настройка задатчика 16 сигнала и коэффициентов передачи по входу сумматора 38 и входу сумматора 32 может быть другой, важно лишь оставить тем же произведение уровня его сигнала на соответствующий коэффициент передачи. Коэффициенты передачи по входам пятого блока 36 умножения, по входу шестого блока 39 умножения, по входу сумматора 11, по входам сумматора 33, по входу третьего блока 28 умножения равны 1.

Если коэффициент по входу блока 31

умножения равен (Км-Kw-fR-KeyL , а по

- 1 входу блока 28 умножения равен R KB L

то на выходе сумматора 30 будет формироваться сигнал, точно совпадающий с выражением (4). Коэффициент по входу сумматора 11 равен Ki, и выбирается в соответствии с выражением (8), а по второму входу - равен К2, величина которого определяется по (9). Как следует из сказанного выше, за счет дополнительно введенных блоков и связей в предложенном устройстве при МДин А выполняется адаптивная подстройка положения поверхности скольжения на основе оценки величин ij , чем достигается с учетом электрической постоянной времени электродвигателя 6 максимальное быстродействие электропривода при отработке произвольного типа программного задающего воздействия и при наличии значительных величин внешних возмущающих моментов (сухого и вязког7о трения, внешнего нагрузочного момента). Эти свойства выгодно отличают предлагаемое устройство для управления электроприводом робота от известного. При входе в область, где I МДИн I А подстройка Ci и С2 прекращается. Но за счет выбора соответствующей величины А , появляющаяся погрешность всегда может быть сведена к величине, допустимой по условию технической эксплуатации данной системы, так как А может быть практически очень малой величиной, (достаточной для корректной реализации операции деления аналоговых сигналов на типовых электронных элементах).

Формула изобретения Устройство для управления электроприводом робота, содержащее последовательно соединенные первый сумматор, первый выпрямитель, второй сумматор, первый блок умножения, усилитель мощности и электродвигатель, кинематически связанный с датчиком ускорения, датчиком скорости и через..

редуктор с датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом с первым входом устройства, а выходом - с 5 первым входом второго блока умножения, выход которого через последовательно подключенные третий сумматор и первый релейный элемент соединен с вторым входом первого блока умножения, выход электро0 двигателя через последовательно подключенные датчик тока, четвертый сумматор, первый функциональный преобразователь, блок деления, блок выборки и запоминания, пятый сумматор, второй функциональный

5 преобразователь соединен с первым входом шестого сумматора, выход первого квадратора соединен с вторым входом пятого сумматора, подключенного первым входом к первым входам третьего блока

0 умножения и четвертого блока умножения, второй вход которого соединен с вторым входом устройства и первым входом седьмого сумматора, подключенного первым входом к выходу датчика скорости, второму

5 входу четвертого сумматора и входу второго релейного элемента, выход которого соединен с первым входом восьмого сумматора, подключенного вторым входом к выходу за- . датчика сигнала, а выходом - к второму вхо0 ду третьего блока умножения и третьему входу четвертого сумматора, выход датчика ускорения через второй выпрямитель соединен с вторым входом блока деления, выход третьего блока умножения через третий

5 выпрямитель подключен к второму входу второго сумматора, третий вход которого соединен с выходом четвертого выпрямителя,-подключенного входом к выходу девятого сумматора, первый вход которого

0 соединен с выходом четвертого блока умножения, а второй вход - с третьим входом устройства, кроме того, второй вход блока выборки и запоминания через третий релейный элемент подключен к выходу четвертого

5 сумматора, отличающееся тем, что, с целью улучшения динамических характеристик, оно дополнительно содержит десятый и одиннадцатый сумматоры, пятый и шестой блоки умножения и второй квадра0 тор, выход которого соединен с вторым входом второго блока умножения, а вход - с выходом шестого сумматора и первым входом шестого блока умножения, подключенного вторым входом к выходу седьмого

5 сумматора, а выходом - к второму входу третьего сумматора, третий вход которого соединен с выходом десятого сумматора, подключенного первым входом к выходу датчика ускорения, а вторым входом - к четвертому входу устройства и первому входу

пятого блока умножения, выход которого выходом одиннадцатого сумматора, под

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании электроприводов роботов с переменными нагрузочными параметрами. Целью изобретения является улучшение динамических характеристик за счет компенсации влияния электрической постоянной времени электродвигателя. Для этого в устройство введены пятый и шестой блоки умножения, десятый и одиннадцатый сумматоры и второй квадратор, которые обеспечивают адаптивную настройку положения поверхности скольжения с учетом величины суммарного момента инерции и постоянной времени электродвигателя. 1 ил.

соединен с третьим входом девятого сумматора, а второй вход - с вторым входом шестоключенного первым входом к вы чика сигнала, а вторым входом

го сумматора, входом первого квадратора и блока выборки и запоминания.

Щ

Л

38

ж.

xje зз

ключенного первым входом к выходу задат- чика сигнала, а вторым входом - к выходу

19

31

Ф50

эЈ