Самонастраивающийся электропривод робота Советский патент 1992 года по МПК B25J13/00 

Изобретение относится к автоматическому управлению и может быть использовано в электроприводах манипуляторов и других систем, у которых инерционная нагрузка изменяется в широких пределах.

Известно устройство для управления приводом робота, содержащее блок умножения, последовательно соединенные усилитель, электродвигатель, датчик тока, первый сумматор, причем второй выход электродвигателя соединен с исполнительным механизмом, датчиком положения и датчиком скорости, выходы датчика положения и датчика скорости соединены соответственно с вторыми входами второго сумматора и блока деления, второй вход первого сумматора соединен с выходом измерителя внешнего момента, атакжетретий сумматор, интегратор, апериодическое звено и инерционное дифференцирующее звено, причем выход второго сумматора соединен с входами апериодического звена и инерционного дифференцирующего звена, выход которого соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого соединен с выходом блока деления, первый

вход которого соединен с выходом интегратора, вход которого соединен с выходом первого сумматора, выход блока умножения - с первым входом третьего сумматора, второй вход которого соединен с выходом апериодического звена, а выход - с входом усилителя, первый вход второго сумматора соединен с входом устройства (авт.св. СССР №1142810, 1985).

Недостатком устройства является низкая точность при отработке программных входных отверстий, так как в нем отсутствуют специальные регуляторы, повышающие точностные характеристики устройства, и не учитываются эффекты взаимовлияния между Степенями подвижности.

Известно также устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные инерционные дифференцирующее звено, первый блок умножения и первый сумматор, второй вход которого соединен с выходом апериодического звена, вход которого подключен к входу инерционного дифференцирующего звена, причем второй вход первого блока умножения соединен с выходом блока деле(Л

С

ч ч

СО

х|

ния, последовательно соединенные первый усилитель и двигатель, второй блок умножения и вычислительный блок, причем первый вход второго блока умножения соединен с выходом первого сумматора, выход - с входом первого усилителя, а второй вход - с первым выходом вычислительного блока, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым и вторыми входами блока деления, а входы вычислительного блока являются входами устройства. Вычислительный-блок выполнен в виде последовательно соединенных второго сумматора, первого квадратора, третьего блока умножения, третьего сумматора, второй вход которого соединен с первым входом вычислительного блока, а третий - с выходом второго квадратора, вход которого сое- динен с первым входом четвертого сумматора и выходом пятого сумматора, первый вход которого соединен с первым входом второго сумматора и вторым входом вычислительного блока, а второй-с вторым входом второго сумматора и третьим входом вычислительного блока, четвертый вход которого соединен с третьим входом второго сумматор, пятый - с первым входом шестого сумматора, а шестой - с вторым входом третьего блока умножения и первым входом четвертого блока умножения, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход - с вторым входом четвертого сумматора, выход которого соединен с первым входом пятого блока умножения, второй вход которого соединен с седьмым входом вычислительного блока, а выход - с вторым входом шестого сумматора, выход которого соединен с входом второго усилителя, при этом выходы третьего сумматора, шестого сумматора и второго усилителя соответственно являются третьим, вторым и первым выходами вычислительного блока (авт.св. СССР № 1352450, 1987).

Недостатком данного устройства является низкая точность, обусловленная отсутствием стационарной коррекции.

Известен также самонастраивающийся электропривод робота, содержащий первый блок деления, последовательно соединенные первый сумматор, блок коррекции, первый блок умножения, второй сумматор, первый усилитель и электродвигатель, кинематически связанный с датчиком скорости непосредственно и через редуктор с датчиком положения, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, причем аторой выход блока коррекции соединен с вторым входом второго сумматора, а выход электродвигателя через последовательно подключенные датчик тока и третий сумматора соединен с входом интегратора. Кроме того электропривод содержит первый и второй выпрямители, первый релейный элемент, последовательно соединенные

второй усилитель, четвертый сумматор, пятый сумматор, второй блок деления и шестой сумматор и последовательно подключенные второй релейный элемент и блок выборки и запоминания, выход которо0 го соединен с вторым входом первого блока умножения и второго блока деления, а второй вход - с выходом первого блока деления, подключенного первым входом к выходу первого выпрямителя, а вторым вхо5 дом к выходу второго выпрямителя, вход которого соединен с выходом интегратора, причем второй вход четвертого сумматора подключен к выходу первого релейного элемента, а выход - к второму входу третьего

0 сумматора и к второму входу шестого сумматора, соединенного выходом с вторым входом первого сумматора, третий вход которого подключен к выходузадатчикасигнала, а четвертый вход - к входу первого и

5 второго релейных элементов, первого выпрямителя, второго усилителя и выходу датчика скорости, а второй вход пятого сумматора соединен с выходом датчика тока (авт.св, № 1618643, 1989).

0 Данное устройство по своей технической сущности является наиболее близким к изобретению.

Его недостатком является низкая точность при использовании в многостепенных

5 манипуляторах. Последнее объясняется тем, что в прототипе в процессе формирования самонастраивающейся коррекции не учитывались, считаясь малыми, эффекты взаимовлияния между степенями подвиж0 ности, В результате возникает задача разработки высокоточных приводов робота и при существенных взаимовлияниях между степенями подвижности многозвенных манипуляторов.

5 Целью изобретения является повышение точности электропривода робота при наличии значительных взаимовлияний между всеми степенями подвижности.

Цел ь достигается тем, чт о в самонастра0 ивающийся электропривод робота, содержащий последовательно соединенные блок коррекции, первый блок умножения и первый сумматор, второй вход которого подключен к второму выходу блока коррекции,

5 последовательно соединенные первый усилитель, электродвигатель, с выходным валом которого механически связан первый датчик скорости и через редуктор первый датчик положения, выход которого подключен к второму входу второго сумматора,

первый и третий входы которого соответственно соединены с первым задатчиком сигнала и выходом первого датчика скорости, а выход-с входом блока коррекции, последовательно соединенные релейный элемент с нулевой нейтральной точкой, вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, третий сумматор, агорой и третий входы которого соответственно соединены с выходом датчика якорного тока электродвигателя и первого датчика скорости, и первый блок деления, вводятся второй блок умножения, первый вход которого соединен с выход ом первого сумматора, а выход - с входом первого усилителя, последовательно соединенные второй датчик положения, четвертый сумматора, второй вход которого подключен к выходу второго задатчика сигнала, пятый сумматор, второй вход которого соединен с выходом третьего задатчика сигнала, первый квадратор, третий блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика массы захваченного груза, шестой сумматор, второй вход которого подключен к выходу четвертого задатчика сигнала, а третий через второй квадратор - к выходу четвертого сумматора, и второй блок деления, выход которого соединен с вторым входом первого блока умножения, последовательно соединенные четвертый блок умножения, первый и второй входы которого соответственно подключены к выходам датчика массы захваченного груза и пятого сумматора, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу четвертого сумматора, пятый блок умножения, к второму входу которого подключен второй датчик скорости, восьмой сумматор, второй вход которого соединен с выходом пятого задатчика сигнала, и второй усилитель, выход которого подключен к второму входу второго блока умножения, а также шестой блок умножения, первый и второй входы которого соответственно подключены к выходам первого датчика скорости и пятого блока умножения, а выход - к четвертому входу третьего сумматора, причем второй вход первого блока деления соединен с выходом шестого сумматора, его выход - с четвертым входом второго сумматора, а второй вход второго блока деления - с выходом восьмого сумматора.

Не известны устройства, обеспечивающие высокие точностные показатели электроприводов роботов в сочетании со свойствами инвариантности к эффектам взаимовлияния между степенями подвижности. В результате можно считать, что предлагаемое устройство вполне отвечает критерию новизна. Кроме того, у заявляемого устройства не обнаружено свойств, совпадающих со свойствами известных решений. Исходя из этого можно признать, что данное решение соответствует критерию существенные отличия.

На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого самонастраивающегося электропривода робота. Он содержит последовательно соединенные блок 1 кор0 рекции, первый блок 2 умножения и первый сумматор 3, второй вход которого подключен к второму выходу блока 1 коррекции, последовательно соединенные первый усилитель 4, электродвигатель 5, с выходным

5 валом которого механически связан первый датчик б скорости и через редуктор 7 первый датчик 8 положения, выход которого подключен к второму входу второго сумматора 9, первый и третий входы которого соответ0 ственно соединены с первым задатчиком 10 сигнала и выходом первого датчика 6 скорости, а выход - с входом блока 1 коррекции, последовательно соединенные релейный элемент 11с нулевой нейтральной точкой,

5 вход которого подключен к выходу первого датчика 6 скорости, третий сумматор 12, второй и третий входы которого соответственно соединены с выходом датчика 13 якорного тока электродвигателя 5 и первого

0 датчика 6 скорости, и первый блок 14 деления. Кроме того, электропривод содержит второй блок 15 умножения, первый вход которого соединен с выходом первого сумматора 3, а выход - с входом первого усилителя

5 4, последовательно соединенные второй датчик 16 положения, четвертый сумматор 17, второй вход которого подключен к выходу второго задатчика 18 сигнала, пятый сумматор 19, второй вход которого соединен с

0 выходом третьего задатчика 20 сигнала, первый квадратор 21, третий блок 22 умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика 23 массы захваченного груза, шестой сумматор 24, второй вход кото5 рого подключен к выходу четвертого задатчика 25 сигнала, а третий через второй квадратор 26 - к выходу четвертого сумматора 17, и второй блок 27 деления, выход которого соединен с вторым входом пер0 вого блока 2 умножения, последовательно соединенные четвертый блок 28 умножения, первый и второй входы которого соответственно подключены к выходам датчика 23 массы захваченного груза и пятого сум5 матора 19. седьмой сумматор 29, второй вход .которого подключен к выходу четвертого сумматора 17, пятый блок 30 умножения, к второму входу которого подключен второй датчик 31 скорости, восьмой сумматор 32, второй вход которого соединен с

выходом пятого задатчика 33 сигнала, и второй усилитель 34, выход которого подключен к второму входу второго блока 15 умножения, а также шестой блок 35 умножения, первый и второй входы которого соответственно подключены к выходам первого датчика 6 скорости и пятого блока 30 умножения, а выход - к четвертому входу третьего сумматора 12. причем второй вход первого блока 14 деления соединен с выхо- дом шестого сумматора 24, а его выход - с четвертым входом второго сумматора 9, а второй вход второго блока 27 деления - с выходом восьмого сумматора 32.38 - объект управления.

На фиг.2 представлена кинематическая схема исполнительного органа робота.

На фигурах введены следующие обозначения:

- сигнал входного воздействия (вы- рабатываетсл задатчиком 10 сигнала);

Qo.c. сигнал обратной связи;

Q1, Q2, qs - соответствующие обобщенные координаты исполнительного органа робота;

q3 - скорость изменения третьей обобщенной координаты;

д- ошибка привода;

mi, ma, тз, trir - соответственно массы первого, второго, третьего звеньев испол- нительного органа и захваченного груза;

1з - расстояние от оси вращения третьего звена до его центра масс при qa 0;

1з расстояние от центра масс третьего звена до средней точки схвата;

«1 - скорость вращения ротора двигателя;

U, U - соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления двигателем;

i - ток двигателя 5.

Электропривод работает следующим образом,

Если на вход второго сумматора 9 с выхода задатчика 10 подать сигнал дж Qo.c.. то на выходе сумматора появляется отличи- тельный от нуля сигнал 5 , который корректируется с помощью блоков 1,2,3, 15 и усиливается в усилителе 4 мощности. Усиленный сигнал поступает на вход электродвигателя 5, приводя его вал во враа(ательное движение с направлением, скоростью и ускорением, зависящим от дж и д . Второй, третий и четвертый отрицательные входы второго сумматора 9 (соответственно со стороны датчика 8, датчик 6 и блока 14 деления) имеют коэффициенты усиления DI, D2 и Оз соответственно. Зна- этих коэффициентов DI ,0 1, 2, 3) рассчитывают по методу аналитического

конструирования оптимальных регуляторов. При этом при рассчитанных коэффициентах DI CONST для стационарной системы с номинальными параметрами обеспечивается минимизация квадратичного критерия качества, т.е. обеспечивается максимальная точность.

При этом сигнал д определяется как (ax-qi) + D2(«x-«1 ) + ОзОж-1). где ссж (t), «ж (t) и ж(0 - 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. Практически реализация этих функций осуществляется блоком 10.

Из выражения для д непосредственно следует

д дж - qo.c. (Di сгж + D2 «ж + Оз 1ж) - - (Diqi + D2«i + D3i).

Однако для манипуляционных и многих других промышленных систем условия стационарности (постоянства параметров) не выполняются. В результате синтезированный линейный регулятор с определенными заранее Di const (i 1, 2, 3) уже не обеспечивает нестационарной системе оптимальную точность, так как параметры этой системы могут изменяться, в частности, для роботов в зависимости от массы объекта манипулирования, конфигурации и скорости движения исполнительного органа. В результате возникает двуединая задача предварительной стабилизации динамических свойств и соответственно параметров привода с помощью самонастраивающихся регуляторов, а затем проектирования стационарного оптимального регулятора для стационарной системы с застабилизированными с помощью самонастраивающейся коррекции параметрами.

Рассмотрим работу коррекции, стабилизирующей параметры электропривода.

Как указывалось выше, изменение параметров нагрузки изменяет и ухудшает точность работы всего устройства, следовательно, устройство управления должно обеспечивать системе инвариантность к переменным параметрам нагрузки.

Во втором аналоге было показано, что моментное воздействие на привод поворота первой степени подвижности робота (см.фиг.2) в процессе движения исполнительного органа имеет вид

MB-H(q3)qi + h(q3,q3Jqi,(1)

где

Н(рз) тз0з + рзг f mr (Is + рз + зг + ls+ IN:

(2) Ь(рз,рз) (з + qa) + тг(з + qs + з)рз,

Is - момент инерции вертикального звена относительно его продольной оси;

IN - момент инерции горизонтального звена относительно поперечной оси, проходящей через центр тяжести.

Первый и второй положительные входы сумматоров 17 и 19 имеют единичные коэффициенты усиления. Поэтому на выходе сумматора 17 формируется сигнал з + qs, a на выходе сумматора 19 - сигнал з + qs +

з.

Зэдатчик 25 вырабатывает постоянный сигнал Ир2 + Is + IN, где I - момент инерции ротора электродвигателя 5 и вращающихся частей редуктора 7, приведенных к валу электродвигателя; ip - передаточное отношение редуктора 7. Первый (со стороны блока 22 умножения) и второй (со стороны квадратора 26) положительные входы сумматора 24 имеют соответственно единич- ный и тз коэффициенты усиления. В результате на выходе сумматора 24 формируется сигнал Н + lip2.

Первый (со стороны блока 28 умножения) и второй (со стороны сумматора 17) положительные входы сумматора 29 соответственно имеют коэффициенты усиления 2 и 2тз, а датчик 31 измеряют скорость движения в третьей степени подвижности рз. В результате на выходе блока 30 умно- жение формируется сигнал h.

На выходе задатчика 33 сигнала формируется сигнал + K8R). В результате на выходе сумматора 32, первый (со стороны блока 30 умножения) и второй (со сторо- ны задатчика 33 сигнала) положительные входы которого соответственно имеют R и единичный коэффициенты усиления, формируется сигнал R(h + KBlp2) + КмК ip2, а на выходе блока 27 деления - сигнал (Н + H)(h + KB) + KMKp , где Км - моментный коэффициент электродвигателя 5; К(Э-его коэффициент противо- ЭДС; R - активное сопротивление якорной обмотки; H H/ip2; h h/ip2; Кв-коэффи- циент вязкости трения.

Второй усилитель 34 имеет коэффициент усиления 1/(КмКЈ) р2). В результате на его выходе формируется сигнал R(h + Кв) + +КМКЯ /(KMKU ).

Апериодическое 36 и инерционное дифференцирующее 37 звенья соответственно имеют передаточные функции:

Л/зб(Р) 1 /СГР + 1), Л/з(Р) RP/CTP + 1),

1Н R

где Т ---- постоянней времени; Км К

Р - символ дифференцирования;

)и - номинальное значение приведенного к валу электродвигателя момента инерции.

В результате на выходе сумматора 3, имеющего положительные входы с единичными коэффициентами усиления, формируется сигнал

R() р , 1

R ( h + Кв )Км Кед

-б.

ТР +1 а на выходе блока 15 умножения - сигнал

R(h + K.)KMKJ(R(H + I)+ F-M

ц«-K KV .) + K..K., (3)

UТР +1

Несложно показать, что передаточная функция привода первой степени подвижности (координата qi) робота (см.фиг.2) имеет вид

wn(P)JU-: и

К. 1 R + Км К,.,71Р

(H + | (.U+()R

(h +K,)R + KuKa(h + KOR+KMKM

где Ку - коэффициент усиления усилителя 4 мощности

L - индуктивность якорной цепи электродвигателя 5.

Поскольку для подавляющего большинства электродвигателей L R, то, как показали результаты исследований, (h + KB)L « (Н + I)R. В результате передаточную функцию (4) можно представить в виде

КуКн

Wn(..И + КЛИ+КцК..,.

((-) так как для большинства электроприводов выполняется условие

(H + I)R

|р

( h + К8 ) R + Км KQ

Таким образом, из выражений (3) и (5) видно, что передаточная функция прямой цепи привода с учетом вводимой самонастраивающейся коррекции, формирующей сигнал U, имеет вид

Q1

Ку/К

со

Р ( L/R ) Р + 1 ( Т Р Ч- 1 ) Р

(6)

Очевидно, что эта передаточная функция имеет постоянные параметры, а следовательно, привод с учетом вводимой коррекции обладает постоянными динамическими свойствами.

Для реализации оптимальной коррекции, исходя из стандартного подхода, необходимо сформировать сигнал вида

д - qo.c.J.e,, на второй, третий и четвертый входы второго сумматора 9 с соответствующими коэффициентами необходимо было бы подать сигналы соответственно с датчиков положения 8, скорости G и тока 13. Однако это привело бы к нарушению условия неравномерности привода к переменным параметрам нагрузки, которое уже обеспечивалось ранее за счет введения самонастраивающейся коррекции. Следует отметить, что нарушение было бы обусловлено только подачей сигнала на четвертый вход второго сумматора 9.

Дело в тем, что истинное значение i при текущем значении нагрузки с учетом Мв(1) не совпадает со значением i для привода, описываемого передаточной функцией (5). Но оптимальная коррекция по методу АКОР синтезируется в предположении, что величина i соответствует приводу, описываемому передаточной функцией (5). С учетом этого синтезируется Оз. Используемая са- момастраивающзя коррекция (3) обеспечивает стабилизацию динамических свойств привода при различных значениях Мв только при соответствующей корректировке величины i. Таким образом, формирование окончательного регулятора необходимо осуществлять с учетом указанного факта. Следует отметить, чго и величина ж должна принимать вид

-bi-a

if

KM

т.е. формироваться на основе информации

о величине а , которая без затруднений может быть получена из назначаемой заранее величины ip.

Таким образом, после решения задачи стабилизации параметров передаточной функции прямой цепи электропривода необходимо решить еще и задачу формирования такого сигнала управления (в частности по текущему значению тока электродвигателя), при котором укачЭанная стабилизации не нарушается, да к тому же обеспечивается и существенное повышение точности работы привода.

Первый (со стороны репейного элемента 11) и четвертый (со стороны блока 35

умножения) отрицательные входы сумматора 12 имеют коэффициенты усиления 1н/Км, его второй положительный вход (со стороны датчика 13 тока) - коэффициент усиления , а третий отрицательный (со стороны датчика б скорости) - коэффициент усиления Up Кв/Км. Причем релейный элемент 11 вырабатывает сигнал

Мт «1 Q,

ивыхц Мтр - f - Мт при а 0. I О

«1

где Мт const - момент сухого трения движения.

В результате на выходе сумматора 12 формируется сигнал, равный

- тЧКм1р21 - (h + KBlPVi - MTpip2,

К.М

а на выходе блока 14 деления- сигнал

25

)(У + Кв)а1 -Мтр К„ ( Н +1)

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

30 по фазовой координате тока).

Несложно убедиться, что полученный сигнал I соответствует назначаемому желаемому значению 1Ж (см. формулу (7)).

Таким образом, в рассматриваемом са35 монастраивающемся электроприводе удалось не только обеспечить стабилизацию его динамических свойств (а следовательно, и качественных показателей), но и обеспечить высокое качество (точность)

40 управления за счет использования высококачественного регулятора, использующего информацию о текущих значениях всех фазовых координат привода.

Формула изобретения

45 Самонастраивающийся электропривод робота, содержащий последовательно соединенные блок коррекции, первый блок умножения и первый сумматор, второй вход которого подключен ко второму выходу бло50 ка коррекции, последовательно соединенные первый усилитель, электродвигатель, с выходным валом которого механически связан первый датчик скорости и через редуктор - первый датчик положения, выход

55 которого подключен к второму входу второго сумматора, первый и третий входы которого соответственно соединены с первым задатчиком сигнала и выходом первого датчика скорости, а выход - со входом блока

коррекции, последовательно соединенные релейный элемент с нулевой нейтральной точкой, вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, третий сумматор, второй и третий входы которого соответст- венно соединены с выходом датчика якорного тока электродвигателя и первого датчика скорости, и первый блок деления, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, а него дополнительно введены второй блок умножения, первый вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход - с входом первого усилителя последовательно соединенные второй датчик положения, четвертый сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго задатчика сиг нала, пятый сумматор, второй вход которого соединен с выходом третьего задатчика сигнала, первый квадратор, третий блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика массы захваченного груза, шестой сумматор, второй вход которого подключен к выходу четвертого задатчика сигнала, а третий через второй квадратор - к выходу четвертого сум-

матора, и второй блок деления, выход которого соединен с вторым входом первого блока умножения, последовательно соединенные четвертый блок умножения, первый и второй входы которого соответственно подключены к выходам датчика массы захваченного груза и пятого сумматора, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу четвертого сумматора, пятый блок умножения, к второму входу которого подключен второй датчик скорости, восьмой сумматор, второй вход которого соединен с выходом пятого задатчика сигнала, и второй усилитель, выход которого подключен к второму входу второго блока умножения, а также шестой блок умножения, первый и второй входы которого соответственно подключены к выходам первого датчика скорости и пятого блока умножения, а выход - к четвертому входу третьего сумматора, причем второй вход первого блока деления соединен с выходом шестого сумматора, его выход - с четвертым входом второго сумматора, а второй вход второго блока деления - с выходом восьмого сумматора

Использование: в электроприводах промышленных манипуляторов. Сущность изобретения: получение высокой точности самонастраивающейся системы с различной нагрузкой за счет применения методов оптимизации автоматических систем. 2 ил.

Ф-ff. I

Фиг.г