Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы мехатроники. Учебник для СПО
.pdf
161
Последний переход с Low на High тактового сигнала одной,
например, 26-тактовой посылки сопровождается выдачей на
выходе данных (DATA) L-сигнала. Он является информацией для
разделения друг за другом следующих двукратных (или многократных) тактовых посылок. На рис. 5.26 представлено подключение энкодера с SSI-интерфейсом.
Рис. 5.26. Типовая схема подключения энкодера с SSI-интерфейсом
Описание протокола обмена SSI-интерфейса.
В режиме ожидания (энкодер не опрашивается) сигнал на
линии Clock+ (относительно Clock+) — высокого уровня (High).
С первым спадом сигнала с High на Low данные в датчике «замораживаются», то есть энкодер подготавливается к передаче. С
последующим фронтом сигнала (с Low на High) начинается передача данных, причем старшим битом (разрядом) вперед. Для
надежного приема информации (учитывая емкостные задержки
на линии связи) желательно, чтобы мастер (процессор) считывал
бит с последующим спадом сигнала с High на Low.
Последовательность действий мастера следующая (на примере приема первых двух бит информации):
1) на провод Clock+ подать уровень Low;
2) задержка для обеспечения необходимой частоты такта
(100 кГц — 1 МГц);
3) на провод Clock+ подать уровень High;
162
4) задержка;
5) на провод Clock+ подать уровень Low;
6) опросить провод Data (Low или High?), записать первый
бит информации;
7) задержка;
8) на провод Clock+ подать уровень High;
9) задержка;
10) на провод Clock+ подать уровень Low;
11) опросить провод Data (Low или High?), записать второй
бит информации;
12) повторить, начинать с пункта 6.
Для опроса сенсора мастеру необходимо генерировать тактов на один больше, чем разрешение датчика, то есть для случая
разрешения энкодера в 12 бит необходимо подать 12 + 1 = 13
тактов.
Тактовая частота может составлять 100 кГц — 1 МГц. Время
между тактовыми посылками должно составлять более 15 мкс.
После последнего переданного бита датчик передает сигнал Low
в течение 15 мкс, что для мастера может означать конец передачи
данных. Таким образом, следующая тактовая посылка от мастера
должна прийти по истечении этого времени. Если такт придет
раньше, то датчик начнет повторять передачу данных с самого
начала, то есть старых, неактуализированных данных. Таким
образом, можно использовать этот режим (передавая, например,
24 + 1 тактов вместо 12 + 1) для контроля достоверности переданных данных, сравнивая принятые данные между собой. По
истечении 15 мкс данные внутри датчика (в выходных сдвиговых
регистрах) актуализируются. Для связи мастера с датчиком на
большом расстоянии и/или в условиях больших помех необходимо использовать Line Driver, например 75147.
Перекодировка из кода Грея в двоичный может осуществляться аппаратно с помощью логических элементов «исключающее или» либо программно, путем последовательного сдвига
вправо и суммирования исходного двоичного числа, до тех пор,
пока очередной сдвиг не обнулит слагаемое.
163
Роликовинтовая передача
Роликовинтовая передача (РВП) представляет собой прецизионный механизм преобразования вращательного движения в
поступательное аналогично тому, как это происходит в традиционных передачах типа качения «винт — гайка» (другое обозначение — шариковинтовая передача (ШВП)) или ее разновидности с телами качения в виде роликов.
Конструктивно роликовинтовая пара состоит из винта и
гайки (рис. 5.27), внутри которой по окружности расположены
ролики, параллельные винту. Нагрузка передается от гайки к
винту через все ролики одновременно.
Рис. 5.27. Устройство роликовинтовой передачи:
1 — многозаходный винт; 2 — сепаратор; 3 — втулка;
4 — однозаходный резьбовой ролик; 5 — многозаходная гайка
В отличие от передач типа качения «винт — гайка», роликовинтовая пара может выдерживать большие нагрузки в течение
тысяч часов эксплуатации в самых жестких условиях. В связи с
этим она идеально подходит для ответственных применений с
непрерывным режимом работы.
По типу роликовинтовые передачи делятся на:
– планетарные (рис. 5.28);
– рециркуляционные (рис 5.29).
–
164
Рис. 5.28. Планетарная роликовинтовая передача
В передаче первого типа резьбовые ролики-сателлиты движутся без рециркуляции, обеспечивая высочайшие прочность,
грузоподъемность, скорость, ускорение, долговечность и
надежность.
Рис. 5.29. Рециркуляционная роликовинтовая передача
В рециркуляционных передачах нерезьбовые ролики с
кольцевыми канавками обеспечивают идеальнoе сочетание грузоподъемности, осевой жесткости и минимально возможного
шага резьбы для позиционирования с высочайшей точностью.
Благодаря небольшому шагу и углу подъема резьбы такая конструкция устойчива к скатыванию и даже может быть самотормозящей с малым коэффициентом трения качения при этом.
Преимущества роликовинтовых передач:
– высочайшие жесткость и точность;
– устойчивость к ударным нагрузкам;
– сохранение работоспособности в отсутствии смазки.
Основные области применения: металлообработка, металлургия, литье пластика под давлением, сборочные линии, медицинское и лабораторное оборудование.
165
Лабораторная мехатронная установка
с синхронно управляемыми осями
На кафедре «Мехатронные системы» Ижевского государственного технического университета имени М.Т. Калашникова
разработана мехатронная установка с синхронно управляемыми
осями, применимая для сборочных соединений с натягом.
Она обеспечивает высокоточные передвижения с требуемыми законами перемещения, скорости и усилия.
При наличии соответствующей оснастки возможно выполнение следующих технологических процессов:
– сборки;
– обработки резанием (сверление, развертывание);
– обработки давлением (прошивка отверстий, прессование).
Структурная схема мехатронной установки с синхронно
управляемыми осями приведена на рис. 5.30.
Рис. 5.30. Структурная схема мехатронной установки
с синхронно управляемыми осями
Технические характеристики установки:
– развиваемая осевая сила до 50 кН;
– скорость перемещения в осевом направлении до 300 мм/с;
– максимальное рабочее давление жидкости 250 МПа.
166
Характеристики применяемого оборудования
Контроллер sbRIO-9636 (National Instruments):
– процессор 400 МГц, 512 Mб энергонезависимой памяти,
256 Mб оперативной памяти;
– реконфигурируемая ПЛИС Xilinx Spartan-6 LX45 FPGA;
– шестнадцать 16-битных аналоговых входов, четыре
16-битных аналоговых выхода;
– 28 цифровых входов-выходов 3,3 В;
– встроенные интерфейсы 10/100BASE-T Ethernet, RS232,
RS485, CAN, порты USB, SDHC.
Сервоприводы:
1) характеристики вентильного двигателя:
– мощность 4,7 кВт;
– максимальная скорость вращения 3 000 об/мин;
2) роликовинтовая передача:
– ход 10 мм/об;
– максимальная допустимая осевая нагрузка 220 кН;
3) датчик давления ДМ-5002Г:
– диапазон измерений 0–250 МПа;
– интерфейс 4–20 мА, RS-485;
4) датчик силы КС-18-М:
– предел измерений 4 700 кг;
– рабочий коэффициент передачи 2,0 ± 0,02 мВ/В.
Реализация системы управления в среде LabVIEW
Программное обеспечение для мехатронной установки разработано в среде LabVIEW. Это среда графического программирования для быстрого создания комплексных приложений в задачах измерения, тестирования, управления, автоматизации
научного эксперимента и образования. В ее основе лежит концепция графического программирования — последовательное
соединение функциональных блоков на блок-диаграмме.
К преимуществам разработки программного обеспечения в
данной среде можно отнести:
– быстроту разработки;
– простоту интеграции с оборудованием;
167
– встроенные функции анализа и обработки сигналов;
– гибкие возможности подготовки отчетов и хранения
данных.
Программное обеспечение позволяет управлять мехатронной установкой в ручном и автоматическом режимах.
Для включения установки необходимо активировать кнопки
«Включение приводов», «Готовность», «Высокая мощность», тем
самым обеспечивается запитывание инверторов осевых модулей
в режиме высокой мощности.
В разделе «Параметры» задаются для автоматического режима требуемые скорость, ускорение и перемещение траверсы
(положительное значение скорости используется для перемещения вверх, отрицательное — вниз). Для варианта гидропрессовой сборки также задается максимальное давление масла при
сборке. Выводится расчетное время движения (разгона, торможения, равномерного движения).
Запуск установки в автоматическом режиме осуществляется
с помощью кнопки «ПУСК», индикатор «Запущен» переходит в
активный режим.
Для отключения тормозов двигателей используется кнопка
«СТОП», индикатор «Остановлен» становится неактивным.
Кнопка «Квитирование» используется для сброса ошибок
осевых модулей.
Для обнуления переменных программы используется кнопка
«Сброс в 0» (применяется перед каждым запуском).
Для возврата в нулевое положение используется кнопка
«Выход в ноль».
Текущие значения осевой силы и давления масла выводятся
на соответствующие графики.
В ручном режиме с помощью кнопок «Вверх», «Вниз» возможны перемещения траверсы в соответствующих направлениях
(скорость перемещения возможно изменить в коде программы).
Выводятся текущая скорость и перемещение.
Рассмотрим реализацию управления мехатронной установкой в среде LabVIEW.
Аналоговые данные с датчиков обратной связи (резольвер)
обрабатываются непосредственно на соответствующих осевых
168
модулях, обработанный сигнал выдается в коде Грея (12-битный)
Тактовая частота составляет 220 кГц. Сначала осуществляется
подготовка передатчика модуля к отправке данных. Далее данные из посылки считываются побитно в массив данных типа
boolean, после чтения 12 бит данных происходят преобразование
из кода Грея в двоичный и передача в realtime-контроллер для
решения задач позиционирования. После преобразования для
актуализации данных передатчика выполняется задержка 25 мкс.
Для обеспечения максимального быстродействия
SSI-интерфейс реализован на ПЛИС.
Задатчик скорости и положения используется для их расчета
в текущий момент времени. При разгоне с малым ускорением
участок равномерного движения отсутствует, в этом случае
время разгона и торможения рассчитывается по программе, как
на рис. 5.31, а при наличии участка равномерного движения — по
программе, как на рис. 5.32.
Синхронизация между осями реализована с помощью параллельного управления сервоприводами.
Для получения требуемой точности позиционирования используется ПИД-регулятор по положению (рис. 5.33). На вход
регулятора поступает ошибка по положению (разница между
расчетным и текущим положениями) по каждому двигателю.
Применяемые осевые модули управляются напряжением +/–
10В. Для сглаживания выходного сигнала управления используется фильтрация.
tl = sqrt(s/a); // время разгона и торможения
s2 = 0;
t2 = 0;
Рис. 5.31. Программа задатчика положения и скорости (s2 = 0)
169
t1 = v /a; // время разгона и торможения
s1 = a * (t1 * t1) / 2; // длина участка разгона
if (s > 2 * s1)
{
s2 = s – 2 * s1; // длина участка равномерного движения
t2 = s2 / v;
if(t_cur <= t1) // участок разгона
{
Vout1 = a * t_cur; // скорость в текущий момент времени
Vout2 = Vout1;
Sout1 = a * t_cur * t_cur / 2; // перемещение в текущий момент
времени
Sout2 = Sout1;
}
if(t cur > t1) // участок равномерного движения
{
Vout1 = v;
Vout2 = Vout1;
Sout1 = a * t1 * t1 / 2 + v *(t_cur - t1);
Sout2 = Sout1;
}
if(t_cur>=t1 + t2) // участок торможения
{
Voutl = a * (2 * t1 + t2 - t_cur);
Vout2 = Vout1;
t3 = t_cur - t1 - t2;
Sout1 = a * t1 * t1 / 2 + v * t2 + a * t3 * t3 / 2;
Sout2 = Sout1;
Рис. 5.32. Программа задатчика положения и скорости (s2 ≠ 0)
float32 P1,I1,D1,out1,P2,I2,D2,out2;
Pl=Kpl*err1;
I1=Kp1*dt/Ki1*err1+I1_1;
D1=Kd1*Kp1/dt*(errl — err1_1);
out1=out1_1+P1+I1+Dl;
P2=Kp2*err2;
I2=Kp2*dt/Ki2*err2+I2_1;
D2=Kd2*Kp2/dt*(err2-err2_1);
out2=out2_1+P2+I2+D2;
Рис. 5.33. Программа ПИД-регулятора по положению
170
Созданная на основе высокоточных мехатронных модулей
линейного движения на базе роликовинтовых передач, вентильных двигателей и высокопроизводительного realtimeконтроллера с ПЛИС, лабораторная мехатронная установка позволяет исследовать алгоритмы управления различными технологическими процессами. Использование графической среды
LabVIEW позволяет конфигурировать необходимую структуру
виртуальных приборов для получения данных и вести математическую обработку экспериментальных данных об исследуемом
процессе как встроенными математическими средствами, так
и создаваемыми исследователями.
Контрольные вопросы
1. Структурная схема САУ без корректирующего устройства
в среде Simulink.
2. Структурная схема САУ с NCD-блоком.
3. Структурная схема САУ с блоком Fuzzy Logic Controller.
4. Синтез нечеткого регулятора.
5. Анализ качества управления системы прототипа и синте-
зированной нечеткой системы регулирования.
6. Синхронное управление приводами.
7. Схема параллельного управления.
8. Схема «ведущий — ведомый» с компенсацией положи-
тельной обратной связи.
9. Схема гибридного синхронного управления с контролем
позиции/момента.
10. Сервопривод с вентильным двигателем.
11. Вентильный электродвигатель. Его достоинства и недо-
статки.
12. Принцип работы вентильных двигателей.
13. Многоосевая сервосистема.
14. Звено постоянного тока.
15. Инвертор.
16. Датчики положения ротора.
17. Инкрементальный энкодер.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]