BG112975A - Следящо постояннотоково електрозадвижване с разширени възможности за комуникация - Google Patents

Abstract

Следящото постояннотоково електрозадвижване с разширени възможности за комуникация от една страна се свързва към постояннотокова машина с номинално напрежение до 36 V и номинален ток до 2 А. Вграденият алгоритъм за управление осигурява робастна устойчивост и робастно качество по отношение на вида на постояннотоковата машина и свързаният към нея механичен товар. Допуска се четириквадрантен режим на работа на електрическата машина, определен от знака на въртящият момент и скоростта. Траекторията за движение може да бъде предварително генерирана в софтуер за компютърно водене (CAD) и конвертирана в списък от команди към отделните оси за движение, след което да бъде изпратена към електрозадвижването. Траекторията за движение може да се получава и като поток от данни в реално време от външно устройство по сериен комуникационен канал, физически реализиран като RS232 или USB. Фигура 8. Монтажна схема на информационно-управляващата подсистема. Дадено е разположението на корпусите на компонентите на информационно-управляващата система.

Description

Област на техниката

Настоящото изобретение се отнася към областта на автоматизираното електрозадвижване, което намира приложение най-вече при машините с цифрово-програмно управление за осигруяване на техните работни движения, както и в редица роботизирани системи от индустриалното производство, лабораторното оборудване и бита.

Предшестващо състояние на техниката

Изпълнението на работните движения при координатните машини с цифрово програмно управление се осъществява от следящи постояннотокови или асинхронни електрозадвижвания. Следящото електрозадвижване се е утвърдило като самостоятелно устройство, което от една страна получава програма за движение, а от друга страна управлява нивото на напрежението и тока в намотките на електрическата машина изпълняваща движението, така че да се гарантира изпълнение на зададената програма за движение с минимална грешка. Електрозадвижването обикновено се разглежда като съставено от две подсистеми - силов преобразувател и информационно-управляваща подсистема.

Силовият преобразувател включва: мостова схема от биполярни или полеви транзистори, най-често работещи в ключов режим, бързи оптрони за галванично разделяне на силовата от информационната част, управляваща схема на отпушването и запушването на транзисторите, схема за измерване на тока през намотката, схема за защита от максимален ток и от претоварвне по мощност, схема за отвеждане на получената енергия при генераторен режим на машината. Броят на рамената на мостовата схема е равен на броя на намотките на машината. При постояннотокови машини (с една намотка) е възможно да се използва и схема на полумост, при която обаче машината работи в режим на прекъснат ток при ниските въртящи моменти. Това се проявява като променлив коефициент на усилване на силовия преобразувател. Съществуват множество известни решения по отношение на силовия преобразувател отразяващи различни технически и технологични изисквания. Те могат да бъдат класифицирани:

• според вида на захранващата мрежа (постоянното кова, променливотокова, еднофазна или многофазна), според номиналната мощност • според номиналното напрежение, според измервателните преобразуватели свързани към електрическата машина (ротационни енкодери, датчици на хол, тахогенератори), • според степеннта си на универсалност (за серия машини или за една конкретна машина), • според вида на електрическата машина (постояннотокови, асинхронни, стъпкови, безчеткови), • според режима на работа на силовите транзистори (ключов, активен) или според техния тип (биполярни, полеви)

Транзисторизирните серво задвижвания за постоянен ток, при които използваните транзистори работят в ключов режим, минимизират изискванията за номинална мощност на транзистора и се предпочитат, когато захранващата мрежа е постояннотокова на средно напрежение (12-50V). В много от лабораторните и индустриалните машини, както и в офис техниката, също се използват напрежения в диапазона 24-36V за извършване на работните движения.

Информационно-управляващата подсистема при следящите задвижвания може да бъде изградена от аналогова или цифрова елементна база. При съвременните решения се предпочита цифровата схемотехника, при която управлението на силовият преобразувател се осъществява от централизирано устройство - микроконтролер (MCU) или програмируема матрица (FPGA).

Съществуват утвърдени микропроцесорни фамилии предназначени за управление на електрозадвижвания. Информационно-управляващата подсистема трябва да отговаря на следните изисквания — работа в твърдо реално време, поддръжка на многоканални хардуерни модули за генериране на широчинноимпулсно модулирани сигнали, поддръжка на хардуерен брояч на импулси (енкодер), поддържка на бързи аналогово-цифрови входове, алгоритми за управление на електромеханичните процеси и за управление на изключенията. Поради завишените изиксвания към бързодействието на затворената система по ток (около 1 микросекунда), често регулаторът по ток се реализира като аналогова схема, но повишеното бързодействие на съвременните микроконтролери позволяват и неговата софутерна реализация.

От една страна информационно-управляващата подсистема трябва стриктно да гарантира изпълнението на поставените изисквания за качество към работните движения, а от друга страна трябва да бъде отворена за достъп от други информационни системи или оператори. Този достъп се осъществява чрез стандартизирани комуникационни интерфейси. Най-често се използва MODBUS протокол реализиран върху RS485 или CAN интерфейс. Комуникацията със следящите електрозадвижвания обикновенно се състои в изпращане на команди за движение по различни сегменти или получаване на диагностична информация за положението на отделните оси на машината. Основно изискване към комуникационния интерфейс е неговата надеждност при високо ниво на смущаващи въздействия от средата, както и неговото бързодействие и предвидимо време за реакция.

Техническа същност

Следящото постояннотоково електрозадвижване с разширени възможности за комуникация от една страна се свързва към постояннотокова машина с номинално напрежение до 36 V и номинален ток до 2 А. Вграденият з алгоритъм за управление осигурява робастна устойчивост и робастно качество по отношение на вида на постояннотоковата машина и свързаният към нея механичен товар. Допуска се четириквадрантен режим на работа на електрическата машина, определен от знака на въртящият момент и скоростта. Проектираният силов преобразувател е реализация на схема на полумост с биполярни транзистори, които работят в ключов режим по генерирания от алгоритъма за управление на тока в котвената верига ШИМ сигнал. Когато електрическата машина работи в генераторен режим, колекторното напрежение се повишава над захранващото, при което се активира кондензаторна верига, която забавя това нарастване.

За да се осигури движението на коплирания към вала на електрическата машина товар по желана траектория се следящото електрозадвижване измерва броят импулси получени от фоторастерен линеен или ротационен енкодер (също коплиран към вала). От броят на импулсите натрупани за един такт на дискретизация се оценя и скоростта на товара. Тази информация позволява на вграденият алгоритъм за управление да гарантира грешка от следене по-малка от зададена, докато са изпълнени ограниченията по амплитуда на заданието на по ток към контура по ток, които ограничения зависят от максималния въртящ момент на машината и максималният ток на силовият преобразуватл. При наличеие на превишаване на допустимия ток през транзисторите се активира верига за неговото ограничаване, която осигурява достатъчно време на вградения алгоритъм за реакция. При наличие на изменения на съпротивителния момент на вала в определени граници, вграденият алгоритъм за управление гарантира изпълнението на изискването за грешка по-малка от зададена. Траекторията за движение е представена като списък от команди, които биват няколко вида - за преход към зададено положение, за движение със зададена скорост в определена посока, за следване на определен профил на скоростта при достигането на зададената позиция, за технологични оперции съответни на дискретни входове и изходи. Траекторията може да бъде предварително генерирана в софтуер за компютърно водене (CAD) и конвертирана в списък от команди към отделните оси за движение, след което да бъде изпратена към електрозадвижването. Форматът на изпратената траектория може да бъде като масив от координати, записани предварително в паметта на микроконтролера, както и масив от скоростни за движение в отделни направления. Траекторията за движение може да се се получава и като поток от данни в реално време от външно устройство по сериен комуникационен канал, физически реализиран като RS232 или USB.

Настоящото електрозадвижване поддържа сериен комуникационен канал за връзка с външни устройства или оператор. Той е организиран около две физически точки за достъп за два често използвани стандарта RS232 и USB 2.0 в лабораторното оборудване. Предоставената от електрозадвижването функционалност през всяка от тези две точки за достъп се припокриват. Комуникационен протокол представлява краен набор от команди, които могат да бъдат разделени в следните категории - за изпълнение на работни движения, за диагностика на вътрешното състояние на електрозадвижването, за настройка на параметри, за директно управление на дискретените входно-изходни портове. Тези команди са могат да се изпращат едновременно и през двете точки за достъп. Изпълнението на командите се осигурява от централизиран софтуерен краен автомат вграден в алгоритъма за управление на микропроцесора. Пропусквателната способност на всяка от двете работни точки е около 2 милисекунди на команда, което позволява изпращане на траекторията за движение по време на нейното изпълнение. Синхронизацията на потока команди през комуникационния порт към реалното време се осигурява от часовника на микропроцесора, като външното устройство което изчислява траекторията за движение, чака да получи заявка от електрозадвижването за следваща команда.

Комуникация през USB порта на електрозадвижването е изградена от управляваща нишка (от тип control endpoint), нишка за получаване на команди (от тип interrupt OUT endpoint), една нишка за изпращане команди (от тип interrupt IN endpoint), нишка за диагностика (от тип bulk OUT endpoint) и нишка за настройка на пераметри (от тип bulk IN endpoint). Това позволява електрозадвижването да бъде част от централизирана управляваща мрежа за лабораторно обурудване.

Описание на приложените фигури

Фигура 1. Блокова схема на информационно-управлявщата подсистема. Дадена е структурата на информационно-управляващата подсистема, която е съставена от следните функционални блокове: микропроцесорен блок (Cpu_kb), памет (Mem_kb), интерфейсен блок (INTERF2) и блок за управление на вход/изход.

Фигура 2. Микроконтролер и декодер на адресите. Даден е използваният 16 битов микроконтролер (D1) и декодиращото устройство на адресната шина (D2).

Фигура 3. Оперативна памет и енергонезависима памет. Дадени са интегралните схеми на блока за оперативна памет (D5) и блока за енергонезависима памет (U6).

Фигура 4. Комуникационен порт за RS232. Дадена е интегралната схема за преобразуване на TTL нивата на сигналите за асинхронна серийна комуникация към стандарта RS232.

Фигура 5. Комуникационен порт за USB. Дадена е интегралната схема за управление на USB интерфейса и схемата за обслужване на рестартиращия сигнал на порта.

Фигура 6. Съгласуваща схема за управление на силовия преобразувател. Дадено е управлението на оптронните елементи, които осигуряват галванично разделяне между нискотоковата и високотоковата верига.

Фигура 7. Съгласуваща схема за четене на аналогови и импуслни входове. С D-тригерите LDT1A, LDT2A и LDT1B импулсните поредици получени от фоторастерния преобразувател се комбинират в една импулсна поредица с повишена честота. Операционният усилвател АА2А осигурява мащабирането на измерения ток в котвената верига, за да бъде прочетен от аналоговия вход на микроконтролера.

Фигура 8. Монтажна схема на информационно-управляващата подсистема. Дадено е разположението на корпусите на компонените на информационно-управляващата система.

Фигура 9. Монтажна схема на силовия преобразувател. Дадено е разположението на корпусите на компонените на информационноуправляващата система.

Примери за изпълнение

Изпълнени са три прототипа на следящото постояннотоково електрозадвижване с разрширени възможности за комуникация, които са напълно функционални и понастоящем се използват за управлението на работните движения на обурудването в лаборатория по „Вградени системи за управление“ находяща се в гр. Ямбол, ул. Грабово 11. Информационноуправляващата и силовата подсистеми са затворени в подходяща кутия, за да бъдат безопасно използвани.

Claims (5)

1. Следящо постояннотоково електрозадвижване с разширени възможности за комуникация

   1. Следящото постояннотоково електрозадвижване с разширени възможности за комуникация използва зададена траектория представена като списък от команди за движение, характеризираща се с това че може да бъде генерирана и изпратена към електрозадвижването по следните начини - масив от координати, записани в паметта на микроконтролера (фиг. 3), масив от скоростни (нараствания за такт), записани в паметта на микроконтролера (фиг. 2), поток от данни (координати или наратвания за такт) синхронно изпращани от друго техническо устройство по сериен комуникационния канал (фиг.4 и фиг.5).
2. 2. Следящото постояннотоково електрозадвижване с разширени възможности за комуникация предоставя достъп до своята функционалност на други цифрови устройства посредством сериен комуникационен канал, характеризиращ се с две физически точки за достъп съответни на стандартите RS232 (фиг. 4) и USB 2.0 (фиг. 5), така че предоставената от електрозадвижването функционалност през всяка от тези точки за достъп се припокрива.
3. 3. Следящото постояннотоково електрозадвижване с разширени възможности за комуникация поддържа комуникационен протокол през две точки за достъп, характеризиращ се с краен набор от команди - за изпълнение на движения, за диагностика и за настройка на параметри, постъпващи едновременно през двете точки за достъп, а изпълнението на командите се осигурява от централизиран софтуерен краен автомат вграден в микропроцесора (фиг. 2).
4. 4. Следящото постояннотоково електрозадвижване с разширени възможнисти за комуникация поддържа интерфейс за комуникация в реално време през комуникационния канал, характеризиращ с пропусквателна способност до 2 милисекунди на команда, като синхронизацията се осигурява от часовника на микропроцесора (фиг. 2), което позволява динамично изчисляване на траекторията за движение по време на нейното изпълнение от външното устройство.
5. 5. Следящото постояннотоково електрозадвижване с разширени възможности за комуникация осигурява поддръжка на стандарта за комуникация с периферни устройства USB 2.0, характеризираща се с управляваща нишка (от тип control endpoint), нишка за получаване на команди (от тип interrupt OUT endpoint), една нишка за изпращане команди (от тип interrupt IN endpoint), нишка за диагностика (от тип bulk OUT endpoint) и нишка за настройка на пераметри (от тип bulk IN endpoint), така че електрозадвижването да бъде част от централизирана управляваща мрежа за лабораторно обурудване.