PL177694B1 - Sposób i układ analogowo-cyfrowego sterowania pozycyjnego napędów elektrycznych - Google Patents

Abstract

7. Uklad analogowo-cyfrowego sterowania pozy- cyjnego napedów elektrycznych, zwlaszcza obrabiarek, zawierajacy czujnik polozenia, przetwornik analo- gowo-cyfrowy, blok przetwarzania danych, uklady wy- konawcze ruchu napedu, znamienny tym, ze czujnik o zmiennej rezystancji (1), którego jeden zacisk (4) jest trwale polaczony z elementem pozycjonowanym (3) na- tomiast wyjscie sygnalu (A) z czujnika (1) jest polaczone z wejsciem (B) przetwornika analogowo-cyfrowego (2), którego wyjscie (C) jest polaczone z wejsciem informa- cyjnym (D) bloku przetwarzania danych (5), przy czym blok ten posiada drugie wejscie informacyjne (E) polaczone z wyjsciem (F) bloku zadawania danych (6), natomiast wyjscia sygnalowe (H, I, J) bloku prze- twarzania danych (5) sa polaczone z wejsciem (K, L, M) bloku sterowania napedem (7), który z kolei jest polaczony z silnikiem sterujacym (8) napedu. fig. 1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ sterowania pozycyjnego napędów elektrycznych, stosowany szczególnie w obrabiarkach, w których suport ze względu na wymagania technologiczne musi być doprowadzony do zadanego punktu i w tym punkcie precyzyjnie zatrzymany.

Znany z polskiego opisu patentowego nr 121 345 układ sterowania pozycyjnego napędów elektrycznych posiada licznik rewersyjny zliczający impulsy wytwarzane przez związany z mechanizmem napędu impulsator. W układzie tym wykorzystuje się zasadę cyfrowego zadawania dystansu i cyfrowego pomiaru przebytej przez mechanizm drugi i zawiera on wiele bloków funkcyjnych, które komplikują układ i zmniejszają niezawodność jego działania.

177 694

W znanym rozwiązaniu według polskiego opisu patentowego 160 385 względne chwilowe położenie suportu obliczane jest z ciągu impulsów generowanych przez sprzężony ze śrubą pociągową napędu przetwornik obrotowo-impulsowy. Dla zapewnienia prawidłowej pracy układu konieczne jest skalowanie polegające na określeniu bezwzględnego położenia suportu wykonywane każdorazowo po uruchomieniu urządzenia. Położenie to może być ustalone przez pomiar położenia wzorcowego suportu przez obsługę urządzenia, a następnie ręczne wprowadzenie wartości do pamięci mikrokomputera, lub po wykonaniu operacji najazdu na wyróżniony punkt, najkorzystniej na czujnik bazowy. Istotną wadą tego rozwiązania jest sprzężenie czujnika pomiarowego ze śrubąpociągową, co może powodować błędy pozycjonowania wynikające z luzów pomiędzy śrubą a suportem, przy czym błędy te będą rosnąć w miarę zużycia maszyny.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu sterowania pozycyjnego napędów elektrycznych łatwego w obsłudze i niezawodnego.

Sposób sterowania pozycyjnego napędów elektrycznych według wynalazku polega na tym, że położenie części ustawianej obrabiarki, np. suportu lub innego elementu pozycjonowanego określane jest przez związany z nią czujnik o zmiennej rezystancji. Czujnik o zmiennej rezystancji wysyła sygnał analogowy do przetwornika analogowo-cyfrowego, który przekształca go na kod cyfrowy. Zakodowana cyfrowo wartość położenia bieżącego porównywana jest w bloku przetwarzania danych, najkorzystniej w mikrokomputerze, z zakodowana cyfrowo wartością położenia docelowego i na tej podstawie generowane są sygnały sterujące napęd pozycjonowanego elementu obrabiarki.

Wygenerowany sygnał sterujący jest przekazywany z bloku przetwarzania danych do układu napędowego suportu lub innego elementu pozycjonowanego obrabiarki, który z kolei dokonuje przemieszczenia tego elementu zgodnie z otrzymanymi poleceniami zakodowanymi w sygnale wykonawczym.

Operacja przemieszczania suportu lub innego elementu roboczego sposobem według wynalazku może być realizowana i kontrolowana kilkoma sposobami w zależności od aktualnych warunków technologicznych, stanu urządzenia jak również wymaganej dokładności.

Wariant podstawowy polega najednorazowym określeniu wyjściowego położenia suportu lub innego pozycjonowanego, a następnie na ustaleniu znaku różnicy między początkowym położeniu suportu lub innego elementu pozycjonowanego, a położeniem zadanym i na tej podstawie określa się kierunek obrotów silnika napędu. Z kolei na podstawie bezwględnej wartości różnicy między położeniem początkowym i zadanym określa się czas trwania włączenia silnika napędu według algorytmu uwzględniającego własności kinematyczne napędu, zwłaszcza charakterystyki rozruchu i hamowania.

Sygnał wykonawczy uruchamia układ napędowy, którego kierunek i czas pracy został uprzednio wyliczony przez blok przetwarzania danych.

W celu wyeliminowania wpływu czynników zewnętrznych np. wahania napięcia, drgania całego urządzenia, nieprzewidziany wzrost oporów ruchu itp., które mogą spowodować, że jednorazowy pomiar położenia wyjściowego i ustalony na tej podstawie czas pracy napędu nie dadzą pożądanego położenia końcowego, korzystne jest zastąpienie pojedynczego pomiaru położenia początkowego całą serią pomiarów wykonywanych już podczas ruchu suportu. W wariancie tym kierunek obrotów silnika wyznacza się jak w wariancie podstawowym, natomiast po uruchomieniu napędu dokonuje się cyklicznie pomiarów wartości chwilowej położenia. Wyłączenie napędu następuje po osiągnięciu wartości zadanej z uwzględnieniem poprawki obejmującej własności kinetyczne napędu. Poprawka obliczana jest na podstawie określonego algorytmu, względnie określana jest doświadczalnie dla każdego położenia docelowego i wprowadzana do algorytmu sterowania. Wariant tenjest szczególnie korzystny w przypadku zakłóceń zewnętrznych jak również wówczas, gdy zespoły mechaniczne napędu wykazują nierównomierne zużycie w różnych fragmentach, np. nierównomierne zużycie śruby pociągowej na jej długości.

Precyzja ustawienia suportu lub innego elementu pozycjonowanego w położeniu zadanym zależy m. in. od czasu jaki upływa pomiędzy wyłączeniem zasilania silnika a zatrzymaniem suportu lub innego elementu pozycjonowanego, dlatego też w celu zmniejszenia wynikających z

177 694 tego odchyłek korzystne jest aby w obu wcześniej opisanych wariantach sposobu sterowania napędem zmniejszać prędkość obrotową silnika napędu z określonym wyprzedzeniem przed osiągnięciem położenia zadanego. Sposób ten umożliwia precyzyjny dojazd do zadanego punktu przy zachowaniu dużej prędkości na większości dystansu.

Dla zapewnienia precyzyjnego pozycjonowania elementu obrabiarki, zwłaszcza suportu korzystne jest aby ruch roboczy kończony był zawsze w jedna stronę. W takim przypadku ruch suportu odbywa się w jednym kierunku z pozycji wyjściowej do punktu docelowego, a jeżeli znak kierunku ruchu jest przeciwny od założonego kierunku kończenia ruchu wówczas suport przejeżdża przez punkt zadany, zatrzymuje się, a następnie wraca do punktu zadanego. Przy założeniu np., że ruch kończony jest zawsze w lewo, a pozycja początkowa napędu znajduje się na lewo od pozycj i docelowej wykonywanyj est najpierw ruch w prawo poza pozycje docelową, a następnie ruch w lewo do punktu docelowego.

Podstawowym elementem układu sterowania napędem według wynalazku jest zespół analogowo-cyfrowego przetwarzania rzeczywistego położenia przemieszczanego elementu na jednoznaczny kod cyfrowy, złożony z czujnika o zmiennej rezystancji oraz odpowiedniego przetwornika analogowo-cyfrowego. Sygnał jest generowany przez czujnik, którego zacisk bazowy jest trwale połączony z suportem lub innym pozycjonowanym elementem obrabiarki. Kod generowany przez przetwornik analogowo-cyfrowy jest odczytywany przez blok przetwarzania danych, korzystnie mikrokomputer, realizujący algorytm sterowania. Na podstawie różnicy pomiędzy aktualną wartością położenia, a wartością nastawioną blok przetwarzania danych generuje sygnały sterujące silnikiem napędu zgodnie z jednym z opisanych sposobów sterowania pozycyjnego napędów elektrycznych. Wprowadzanie danych położenia zadanego jest wykonywane w bloku zadawania danych, którym może być programator klawiszowy, klawiatura komputerowa lub inne źródło danych. Blok zadawania danych jest połączony z wejściem informacyjnym bloku przetwarzania danych. Za pośrednictwem bloku zadawania danych wprowadza się również inne informacje niezbędne do przetwarzania danych w tym również poprawki na własności kinematyczne napędu. Korzystne jest, gdy bloki funkcjonalne, a zwłaszcza blok przetwarzania danych 'są wyposażone w zabezpieczenia eliminujące zakłócenia zewnętrzne.

Blok przetwarzania danych może posiadać wyjście komunikacyjne za pośrednictwem którego może być połączony z innymi urządzeniami, które mogąrównież pełnić funkcję bloku zadawania danych.

Układ według wynalazku zawiera czujnik o zmiennej rezystancji, którego jeden ruchomy zaciskjest trwale połączony z ustawianym elementem obrabiarki np. suportem a drugi zaciskjest zamocowany nieruchomo. Wyjście czujnika jest połączone z wejściem przetwornika analogowo-cyfrowego, którego wyjście jest połączone z wejściem informacyjnym bloku przetwarzania danych. Do drugiego wejścia informacyjnego bloku przetwarzania danych dołączony jest blok zadawania danych. Poprzez dodatkowe łącze komunikacyjne blok przetwarzania danych może być połączony z innymi urządzeniami zewnętrznymi. Blok przetwarzania danych jest połączony z blokiem sterowania napędem, który z kolei połączony jest z blokiem napędu.

Układ według wynalazku pozwala na określenie bezwzględnego położenia ustawianego elementu, a także umożliwia dobór algorytmu sterowania stosowanie do aktualnych potrzeb oraz stanu danego napędu. Układ umożliwia zgodnie z aktualnymi wymaganiami technologicznymi kształtowanie prędkości obrotowej silnika napędu oraz precyzyjnie zatrzymać napęd w zadanym punkcie.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy analogowo-cyfrowego układu pozycjonowania napędu elektrycznego.

Układ przedstawiony na rysunku zawiera czujnik o zmiennej rezystancji 1, którego wyjście Ajest połączone z wejściem B przetwornika analogowo-cyfrowego 2, w którym sygnał analogowy zostaje przekształcony na kod cyfrowy określający położenie suport 3. Jeden ruchomy zacisk 4 czujnika 1 jest trwale połączony z suportem 3. Wyjście C z przetwornika analogowocyfrowego 1 jest połączone z wejściem informacyjnym D bloku przetwarzania danych 5. Drugie

177 694 wejście informacyjne E bloku przetwarzania danych 5 jest połączone z wyjściem F bloku zadawania danych 6. Wyjścia informacyjne H, I, J bloku przetwarzania danych 5 sąpołączone z wejściami K, L, M, bloku sterowania napędu 7, którego wyjście M jest połączone z uzwojeniem silnika 8.

Poprzez łącze komunikacyjne G blok przetwarzania danych 5 może komunikować się dwukierunkowo z innymi sterownikami lub mikrokomputerami wykorzystywanymi np. w węźle technologicznym. Wyjścia informacyjne H, I, J bloku przetwarzania danych 5 składają się z kanałów kierunku obrotów silnika napędu 8, kanału kodowania prędkości obrotów i kanału kodowania startu i zatrzymania silnika napędu 8.

W zależności od potrzeb i konstrukcji obrabiarki kanałem kodowania prędkości przesyłany jest sygnał analogowy lub cyfrowy. Kanał kodowania startu i zatrzymania silnika nie musi występować jawnie, a może być realizowany przez odpowiednią funkcję logiczną sygnałów przesyłanych kanałami kierunku obrotów silnika i prędkości obrotów silnika.

Blok przetwarzania danych 5 porównując kod położenia bieżącego suportu z kodem położenia zadanego, generuje zgodnie z algorytmem sygnały sterujące, które przez kanały informacyjne powodująza pośrednictwem bloku sterowania napędem 7 uruchomienie napędu i przemieszczenie suportu w położenie zadane. Poprawki na własności kinetyczne napędu wyznacza się po dokonaniu kalibracji statycznej obrabiarki przez porównanie wartości rzeczywistej położenia końcowego z wartością zadaną. Kalibracja jest realizowana automatycznie przez specjalną procedurę kalibracyjną lub ręcznie przez pomiar rzeczywistego położenia elementu ustawianego i wprowadzenie poprawek do algorytmu wykonawczego.

177 694

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (7)

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób analogowo-cyfrowego sterowania pozycyjnego napędów elektrycznych polegający na określeniu położenia początkowego elementu pozycjonowanego, zwłaszcza suportu, przygotowaniu polecenia wykonawczego i wykonaniu pozycjonowania, znamienny tym, że położenie bieżące elementu pozycjonowanego (3) określa się przy pomocy czujnika o zmiennej rezystancji (1), z którego sygnałjest przekształcany w przetworniku analogowo-cyfrowym (2) na kod określający aktualne położenie elementu pozycjonowanego (3), a z kolei kod ten jest przekazywany do bloku przetwarzania danych (5), w którym przeprowadzana jest analiza porównawcza z parametrami zadanymi i na podstawie uzyskanej różnicy są generowane sygnały wykonawcze, które poprzez blok sterowania napędem uruchamiająi regulująpracę napędu elektrycznego, który z kolei przemieszcza element pozycjonowany w pozycję zadaną.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ruch elementu pozycjonowanego jest zakańczany zawsze w jednym z góry założonym kierunku przy czym w przypadku, gdy w celu przemieszczenia elementu pozycjonowanego musiałoby nastąpić zakończenie ruchu z kierunku przeciwnego niż założony, pozycjonowany element przekracza położenie zadane, zatrzymuje się, a następnie wykonuje najazd powrotny do punktu zadanego z kierunku założonego.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że dla każdego kierunku ruchu blok przetwarzania danych przed rozpoczęciem ruchu ustala czas jego trwania.

4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że podczas ruchu elementu pozycjonowanego wykonywane są kolejne pomiary położenia, a w chwili gdy element pozycjonowany znajduje się w z góry określonej odległości od pozycji zadanej napęd jest wyłączany.

5. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że w chwili gdy suport znajduje się w określonej odległości od pozycji zadanej następuje zmniejszenie prędkości ruchu.

6. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że w chwili gdy suport znajduje się w określonej odległości od pozycji zadanej następuje zmniejszenie prędkości ruchu.

7. Układ analogowo-cyfrowego sterowania pozycyjnego napędów elektrycznych, zwłaszcza obrabiarek, zawierający czujnik położenia, przetwornik analogowo-cyfrowy, blok przetwarzania danych, układy wykonawcze ruchu napędu, znamienny tym, że czujnik o zmiennej rezystancji (1), którego jeden zacisk (4) jest trwale połączony z elementem pozycjonowanym (3) natomiast wyjście sygnału (A) z czujnika (1) jest połączone z wejściem (B) przetwornika analogowo-cyfrowego (2), którego wyjście (C) jest połączone z wejściem informacyjnym (D) bloku przetwarzania danych (5), przy czym blok ten posiada drugie wejście informacyjne (E) połączone z wyjściem (F) bloku zadawania danych (6), natomiast wyjścia sygnałowe (H, i, J) bloku przetwarzania danych (5) sąpołączone z wejściem (K, L, M) bloku sterowania napędem (7), który z kolei jest połączony z silnikiem sterującym (8) napędu.