RU1773714C - Самонастраивающийс электропривод робота - Google Patents

Abstract

Использование: в электроприводах промышленных манипул торов. Сущность изобретени : получение высокой точности самонастраивающейс  системы с различной нагрузкой за счет применени  методов оптимизации автоматических систем. 2 ил.

Description

Изобретение относитс  к автоматическому управлению и может быть использовано в электроприводах манипул торов и других систем, у которых инерционна  нагрузка измен етс  в широких пределах.

Известно устройство дл  управлени  приводом робота, содержащее блок умножени , последовательно соединенные усилитель , электродвигатель, датчик тока, первый сумматор, причем второй выход электродвигател  соединен с исполнительным механизмом, датчиком положени  и датчиком скорости, выходы датчика положени  и датчика скорости соединены соответственно с вторыми входами второго сумматора и блока делени , второй вход первого сумматора соединен с выходом измерител  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 умножени , второй вход которого соединен с выходом блока делени , первый

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

Недостатком устройства  вл етс  низка  точность при отработке программных входных отверстий, так как в нем отсутствуют специальные регул торы, повышающие точностные характеристики устройства, и не учитываютс  эффекты взаимовли ни  между Степен ми подвижности.

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

С

ч ч

СО

х|

ни , последовательно соединенные первый усилитель и двигатель, второй блок умножени  и вычислительный блок, причем первый вход второго блока умножени  соединен с выходом первого сумматора, выход - с входом первого усилител , а второй вход - с первым выходом вычислительного блока, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым и вторыми входами блока делени , а входы вычислительного блока  вл ютс  входами устройства . Вычислительный-блок выполнен в виде последовательно соединенных второго сумматора , первого квадратора, третьего блока умножени , 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 п того 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, п тый - с первым входом шестого сумматора, а шестой - с вторым входом третьего блока умножени  и первым входом четвертого блока умножени , второй вход которого соединен с выходом второго сумматора , а выход - с вторым входом четвертого сумматора, выход которого соединен с первым входом п того блока умножени , второй вход которого соединен с седьмым входом вычислительного блока, а выход - с вторым входом шестого сумматора, выход которого соединен с входом второго усилител , при этом выходы третьего сумматора, шестого сумматора и второго усилител  соответственно  вл ютс  третьим, вторым и первым выходами вычислительного блока (авт.св. СССР № 1352450, 1987).

Недостатком данного устройства  вл етс  низка  точность, обусловленна  отсутствием стационарной коррекции.

Известен также самонастраивающийс  электропривод робота, содержащий первый блок делени , последовательно соединенные первый сумматор, блок коррекции, первый блок умножени , второй сумматор, первый усилитель и электродвигатель, кинематически св занный с датчиком скорости непосредственно и через редуктор с датчиком положени , выход которого подключен к второму входу первого сумматора, причем аторой выход блока коррекции соединен с вторым входом второго сумматора, а выход электродвигател  через последовательно подключенные датчик тока и третий сумматора соединен с входом интегратора. Кроме того электропривод содержит первый и второй выпр мители, первый релейный элемент , последовательно соединенные

второй усилитель, четвертый сумматор, п тый сумматор, второй блок делени  и шестой сумматор и последовательно подключенные второй релейный элемент и блок выборки и запоминани , выход которо0 го соединен с вторым входом первого блока умножени  и второго блока делени , а второй вход - с выходом первого блока делени , подключенного первым входом к выходу первого выпр мител , а вторым вхо5 дом к выходу второго выпр мител , 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 выпр мител , второго усилител  и выходу датчика скорости, а второй вход п того сумматора соединен с выходом датчика тока (авт.св, № 1618643, 1989).

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

Его недостатком  вл етс  низка  точность при использовании в многостепенных

5 манипул торах. Последнее объ сн етс  тем, что в прототипе в процессе формировани  самонастраивающейс  коррекции не учитывались, счита сь малыми, эффекты взаимовли ни  между степен ми подвиж0 ности, В результате возникает задача разработки высокоточных приводов робота и при существенных взаимовли ни х между степен ми подвижности многозвенных манипул торов .

5 Целью изобретени   вл етс  повышение точности электропривода робота при наличии значительных взаимовли ний между всеми степен ми подвижности.

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

5 последовательно соединенные первый усилитель , электродвигатель, с выходным валом которого механически св зан первый датчик скорости и через редуктор первый датчик положени , 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  корного тока электродвигател  и первого датчика скорости, и первый блок делени , ввод тс  второй блок умножени , первый вход которого соединен с выход ом первого сумматора, а выход - с входом первого усилител , последовательно соединенные второй датчик положени , четвертый сумматора, второй вход которого подключен к выходу второго задатчика сигнала , п тый сумматор, второй вход которого соединен с выходом третьего задатчика сигнала , первый квадратор, третий блок умножени , 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 делени , выход которого соединен с вторым входом первого блока умножени , последовательно соединенные четвертый блок умножени , первый и второй входы которого соответственно подключены к выходам датчика массы захваченного груза и п того сумматора, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу четвертого сумматора, п тый блок умножени , к второму входу которого подключен второй датчик скорости, восьмой сумматор, второй вход которого соединен с выходом п того задатчика сигнала, и второй усилитель, выход которого подключен к второму входу второго блока умножени , а также шестой блок умножени , первый и второй входы которого соответственно подключены к выходам первого датчика скорости и п того блока умножени , а выход - к четвертому входу третьего сумматора, причем второй вход первого блока делени  соединен с выходом шестого сумматора, его выход - с четвертым входом второго сумматора, а второй вход второго блока делени  - с выходом восьмого сумматора.

Не известны устройства, обеспечивающие высокие точностные показатели электроприводов роботов в сочетании со свойствами инвариантности к эффектам взаимовли ни  между степен ми подвижности . В результате можно считать, что предлагаемое устройство вполне отвечает критерию новизна. Кроме того, у за вл емого устройства не обнаружено свойств, совпадающих со свойствами известных решений . Исход  из этого можно признать, что данное решение соответствует критерию существенные отличи .

На фиг.1 представлена функциональна  схема предлагаемого самонастраивающегос  электропривода робота. Он содержит последовательно соединенные блок 1 кор0 рекции, первый блок 2 умножени  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 св зан первый датчик б скорости и через редуктор 7 первый датчик 8 положени , 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  корного тока электродвигател  5 и первого

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

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

0 выходом третьего задатчика 20 сигнала, первый квадратор 21, третий блок 22 умножени , 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 делени , выход которого соединен с вторым входом пер0 вого блока 2 умножени , последовательно соединенные четвертый блок 28 умножени , первый и второй входы которого соответственно подключены к выходам датчика 23 массы захваченного груза и п того сум5 матора 19. седьмой сумматор 29, второй вход .которого подключен к выходу четвертого сумматора 17, п тый блок 30 умножени , к второму входу которого подключен второй датчик 31 скорости, восьмой сумматор 32, второй вход которого соединен с

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

На фиг.2 представлена кинематическа  схема исполнительного органа робота.

На фигурах введены следующие обозначени :

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

Qo.c. сигнал обратной св зи;

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

q3 - скорость изменени  третьей обобщенной координаты;

д- ошибка привода;

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

1з - рассто ние от оси вращени  третьего звена до его центра масс при qa 0;

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

«1 - скорость вращени  ротора двигател ;

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

i - ток двигател  5.

Электропривод работает следующим образом,

Если на вход второго сумматора 9 с выхода задатчика 10 подать сигнал дж Qo.c.. то на выходе сумматора по вл етс  отличи- тельный от нул  сигнал 5 , который корректируетс  с помощью блоков 1,2,3, 15 и усиливаетс  в усилителе 4 мощности. Усиленный сигнал поступает на вход электродвигател  5, привод  его вал во враа(ательное движение с направлением, скоростью и ускорением, завис щим от дж и д . Второй, третий и четвертый отрицательные входы второго сумматора 9 (соответственно со стороны датчика 8, датчик 6 и блока 14 делени ) имеют коэффициенты усилени  DI, D2 и Оз соответственно. Зна- этих коэффициентов DI ,0 1, 2, 3) рассчитывают по методу аналитического

конструировани  оптимальных регул торов . При этом при рассчитанных коэффициентах DI CONST дл  стационарной системы с номинальными параметрами обеспечиваетс  минимизаци  квадратичного критери  качества, т.е. обеспечиваетс  максимальна  точность.

При этом сигнал д определ етс  как (ax-qi) + D2(«x-«1 ) + ОзОж-1). где ссж (t), «ж (t) и ж(0 - соответственно желаемые функции изменени  во времени положени  выходного вала редуктора, скорости вала двигател  и его  корного тока , которые могут быть предварительно рассчитаны различными способами. Эти функции могут быть заданы как в аналитической , так и в численной (табличной) форме и располагатьс  на любом носителе информации . Практически реализаци  этих функций осуществл етс  блоком 10.

Из выражени  дл  д непосредственно следует

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

Однако дл  манипул ционных и многих других промышленных систем услови  стационарности (посто нства параметров) не выполн ютс . В результате синтезированный линейный регул тор с определенными заранее Di const (i 1, 2, 3) уже не обеспечивает нестационарной системе оптимальную точность, так как параметры этой системы могут измен тьс , в частности, дл  роботов в зависимости от массы объекта манипулировани , конфигурации и скорости движени  исполнительного органа. В результате возникает двуедина  задача предварительной стабилизации динамических свойств и соответственно параметров привода с помощью самонастраивающихс  регул торов, а затем проектировани  стационарного оптимального регул тора дл  стационарной системы с застабилизированными с помощью самонастраивающейс  коррекции параметрами.

Рассмотрим работу коррекции, стабилизирующей параметры электропривода.

Как указывалось выше, изменение параметров нагрузки измен ет и ухудшает точность работы всего устройства, следовательно , устройство управлени  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 движени  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, проход щей через центр т жести.

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

з.

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

Первый (со стороны блока 28 умножени ) и второй (со стороны сумматора 17) положительные входы сумматора 29 соответственно имеют коэффициенты усилени  2 и 2тз, а датчик 31 измер ют скорость движени  в третьей степени подвижности рз. В результате на выходе блока 30 умно- жение формируетс  сигнал h.

На выходе задатчика 33 сигнала формируетс  сигнал + K8R). В результате на выходе сумматора 32, первый (со стороны блока 30 умножени ) и второй (со сторо- ны задатчика 33 сигнала) положительные входы которого соответственно имеют R и единичный коэффициенты усилени , формируетс  сигнал R(h + KBlp2) + КмК ip2, а на выходе блока 27 делени  - сигнал (Н + H)(h + KB) + KMKp , где Км - моментный коэффициент электродвигател  5; К(Э-его коэффициент противо- ЭДС; R - активное сопротивление  корной обмотки; H H/ip2; h h/ip2; Кв-коэффи- циент в зкости трени .

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

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

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

1Н R

где Т ---- посто нней времени; Км К

Р - символ дифференцировани ;

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

В результате на выходе сумматора 3, имеющего положительные входы с единичными коэффициентами усилени , формируетс  сигнал

R() р , 1

R ( h + Кв )Км Кед

-б.

ТР +1 а на выходе блока 15 умножени  - сигнал

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

ц«-K KV .) + K..K., (3)

UТР +1

Несложно показать, что передаточна  функци  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 усилени  усилител  4 мощности

L - индуктивность  корной цепи электродвигател  5.

Поскольку дл  подавл ющего 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 дл  большинства электроприводов выполн етс  условие

(H + I)R

|р

( h + К8 ) R + Км KQ

Таким образом, из выражений (3) и (5) видно, что передаточна  функци  пр мой цепи привода с учетом вводимой самонастраивающейс  коррекции, формирующей сигнал U, имеет вид

Q1

Ку/К

со

Р ( L/R ) Р + 1 ( Т Р Ч- 1 ) Р

(6)

Очевидно, что эта передаточна  функци  имеет посто нные параметры, а следовательно , привод с учетом вводимой коррекции обладает посто нными динамическими свойствами.

Дл  реализации оптимальной коррекции , исход  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 положени  8, скорости G и тока 13. Однако это привело бы к нарушению услови  неравномерности привода к переменным параметрам нагрузки, которое уже обеспечивалось ранее за счет введени  самонастраивающейс  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 дл  привода, описываемого передаточной функцией (5). Но оптимальна  коррекци  по методу АКОР синтезируетс  в предположении, что величина i соответствует приводу, описываемому передаточной функцией (5). С учетом этого синтезируетс  Оз. Используема  са- момастраивающз  коррекци  (3) обеспечивает стабилизацию динамических свойств привода при различных значени х Мв только при соответствующей корректировке величины i. Таким образом, формирование окончательного регул тора необходимо осуществл ть с учетом указанного факта. Следует отметить, чго и величина ж должна принимать вид

-bi-a

if

KM

т.е. формироватьс  на основе информации

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

Таким образом, после решени  задачи стабилизации параметров передаточной функции пр мой цепи электропривода необходимо решить еще и задачу формировани  такого сигнала управлени  (в частности по текущему значению тока электродвигател ), при котором укачЭанна  стабилизации не нарушаетс , да к тому же обеспечиваетс  и существенное повышение точности работы привода.

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

умножени ) отрицательные входы сумматора 12 имеют коэффициенты усилени  1н/Км, его второй положительный вход (со стороны датчика 13 тока) - коэффициент усилени  , а третий отрицательный (со стороны датчика б скорости) - коэффициент усилени  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 трени  движени .

В результате на выходе сумматора 12 формируетс  сигнал, равный

- тЧКм1р21 - (h + KBlPVi - MTpip2,

К.М

а на выходе блока 14 делени - сигнал

25

)(У + Кв)а1 -Мтр К„ ( Н +1)

Этот сигнал соответствует искомому (требуемому) значению тока, необходимому дл  формировани  оптимального по точности регул тора (в частности обратной св зи

30 по фазовой координате тока).

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

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

40 управлени  за счет использовани  высококачественного регул тора, использующего информацию о текущих значени х всех фазовых координат привода.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   45 Самонастраивающийс  электропривод робота, содержащий последовательно соединенные блок коррекции, первый блок умножени  и первый сумматор, второй вход которого подключен ко второму выходу бло50 ка коррекции, последовательно соединенные первый усилитель, электродвигатель, с выходным валом которого механически св зан первый датчик скорости и через редуктор - первый датчик положени , 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  корного тока электродвигател  и первого датчика скорости, и первый блок делени , отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности, а него дополнительно введены второй блок умножени , первый вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход - с входом первого усилител  последовательно соединенные второй датчик положени , четвертый сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго задатчика сиг нала, п тый сумматор, второй вход которого соединен с выходом третьего задатчика сигнала, первый квадратор , третий блок умножени , 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 делени , выход которого соединен с вторым входом первого блока умножени , последовательно соединенные четвертый блок умножени , первый и второй входы которого соответственно подключены к выходам датчика массы захваченного груза и п того сумматора, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу четвертого сумматора, п тый блок умножени , к второму входу которого подключен второй датчик скорости, восьмой сумматор, второй вход которого соединен с выходом п того задатчика сигнала, и второй усилитель, выход которого подключен к второму входу второго блока умножени , а также шестой блок умножени , первый и второй входы которого соответственно подключены к выходам первого датчика скорости и п того блока умножени , а выход - к четвертому входу третьего сумматора, причем второй вход первого блока делени  соединен с выходом шестого сумматора, его выход - с четвертым входом второго сумматора, а второй вход второго блока делени  - с выходом восьмого сумматора

   Ф-ff. I

   Фиг.г