Интеллектуальные мехатронные исполнительные механизмы
Интеллектуальный исполнительный механизм способен совершать сложные траекторные движения, контролировать свое состояние и адаптироваться к изменениям внешней среды.
Создание интеллектуальных ИМ неразрывно связано с развитием мехатроники - области науки и техники, которая занимается управлением механизмов от ЭВМ. Мехатронная (механико- электронная) система должна рассматриваться как неразделимая система механических,
электромеханических, электрических и электронных узлов, между которыми осуществляется обмен энергией и информацией.
Одним из основных принципов мехатронного подхода к созданию исполнительных механизмов нового поколения заключается в переносе функциональной нагрузки от механических узлов к интеллектуальным (электронным, компьютерным и информационным ) компонентам, которые гораздо легче перепрограммируются под новые задачи и в настоящее время относительно недороги. К числу таких задач относятся изменение и расширение диапазонов регулирования скоростей, ускорений и моментов, развиваемых исполнительным механизмом; координация управления пространственным перемещением данного исполнительного устройства с управлением различными внешними устройствами, например конвейерами и загрузочными устройствами.
Для интеллектуальных мехатронных устройств характерен принцип модульности. Классическими стандартными модулями, из которых может быть выполнен интеллектуальный электромашинный ИМ, являются следующие:
1. Двигатель - электрический двигатель, преобразующий электрическую энергию в механическую. К таким модулям относятся рассмотренные выше асинхронные трехфазные двигатели, исполнительные асинхронные микродвигатели, исполнительные двигатели постоянного тока, синхронные шаговые двигатели.
2. Силовой преобразователь - источник электрической энергии для управляемого двигателя. Вход и выход у этих модулей электрический; к их числу относятся рассмотренные выше управляемые выпрямители, широтно-импульсные преобразователи, преобразователи частоты, электронные и магнитные усилители мощности переменного тока.
3.Передаточное устройство — механическое устройство для соединения вала двигателя с регулирующим органом объекта управления. Вход и выход у таких модулей механический; к их числу относятся муфты, кинематические механизмы типа редукторов и тормозные устройства.
4.Датчик - измерительно-преобразовательное устройство для преобразования механических величин (скорость, перемещение) в электрический сигнал. В качестве измерителей скорости и перемещения в датчиках широко применяются рассмотренные выше тахогенераторы, поворотные трансформаторы, сельсины.
З.Контроллер - микропроцессорная система, предназначенная для управления силовым преобразователем с целью реализации требуемого режима работы двигателя, соответственно требуемого закона перемещения регулируемого органа объекта управления. Вход и выход таких модулей электрический; обмен информацией контроллера с силовым преобразователем, датчиком и, при необходимости, вышестоящей управляющей ЭВМ осуществляется на основе стандартных интерфейсов.
Объединение модулей КОНТРОЛЛЕР + СИЛОВОЙ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ + ДВИГАТЕЛЬ + МЕХАНИЗМ + ДАТЧИК при наличии необходимого программного обеспечения КОНТРОЛЛЕРА и представляет собой интеллектуальный мехатронный исполнительный механизм.
Однако построенные на базе таких элементарных модулей исполнительные механизмы далеко не всегда отвечают всей совокупности весьма жестких требований, сформулированных выше. Мехатронный подход к созданию современных высокоэффективных ИМ нацелен на интеграцию механических, электромеханических, электронных, электротехнических, компьютерных и интерфейсных элементов в единые мехатронные модули, минимизацию промежуточных преобразований энергии и информации, а также электрических и механических интерфейсов как отдельных блоков. Это должно повысить показатели исполнительных механизмов по компактности, надежности, точности и стоимости.
Анализ структуры и состава электромашинных исполнительных механизмов, структуры передаваемых в них энергетических и информационных потоков (рис.8.1, -* - информационные потоки, => -энергетические потоки) показывает, что теоретически для реализации таких ИМ необходимы четыре основных функциональных блока:
• информационо-электрический функциональный преобразователь (ФП), стоящий в прямой цепи ИМ и включающий в себя контроллер управления движением и силовой электрический преобразователь,
• электромеханический ФП, стоящий в прямой цепи ИМ и включающий в себя электродвигатель и механическое передаточное устройство,
• электро-информациониый ФП, стоящий в линии обратной связи ИМ и включающий в себя датчики напряжения и тока силового преобразователя,
• механико-информационный ФП, стоящий в линии обратной связи ИМ и включающий в себя датчики перемещения, скорости, ускорения, момента, силы.
Современная наука и технология позволяют во многих случаях реализовать каждый из этих ФП, а иногда и группу ФП, в виде отдельных мехатронных модулей. При наличии соответствующего программного обеспечения такие модули позволяют создавать высокоэффективные интеллектуальные исполнительные механизмы, отрабатывающие команду о задаче движения, поступающую от задающего устройства с более высокого уровня системы управления, в заданное механическое движение регулирующего органа объекта управления.
Первыми мехатронными модулями электромашинных ИМ стали модули движения типа «мотор-редукторг », которые представляют собой компактное конструктивное объединение электродвигателя и редуктора. Уменьшаются
габаритные размеры ИМ, отсутствие соединительных муфт упрощает монтаж и наладку ИМ, улучшает его динамические и точностные свойства. Последующее конструктивное объединение этих модулей с измерительными устройствами датчиков скорости и перемещения привело к созданию мехатронных модулей движения для интеллектуальных ИМ.
Последние десятилетия ознаменовались значительными успехами силовой электроники - было освоено производство модулей силовых преобразователей на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором. Ряд таких модулей выпускается со встроенными средствами защиты силовых ключей в аварийных режимах и диагностики неисправностей, а также интерфейсами для непосредственного подключения к микропроцессорным блокам управления движением привода (контроллерам движения).Интеграция контроллеров движения и силовых преобразователей в виде единого конструктивного модуля (печатного узла) привела к созданию еще одного мехатронного модуля - интеллектуального силового преобразователя. В исполнительных механизмах малой мощности такой модуль может быть даже встроен в клеммную коробку двигателя.
Современная технология изготовления измерительных преобразователей механических величин (скоростей, ускорений, перемещений) и технология интегральных схем позволяют создавать мехатронные датчики, у которых электромеханическая измерительная и электронная преобразовательная части (например аналого-цифровой преобразователь) объединены в одном корпусе. Встраивание в такой датчик микропроцессора, который берет на себя не только функции кодирования информации о скорости или перемещении, но и обработку этой информации по заданным алгоритмам с целью минимизации погрешностей, масштабирование сигналов и передачу информации в контроллер движения по стандартному протоколу, приводит к созданию мехатронного модуля типа интеллектуальный датчик.
Итак, основными преимуществами мехатронных исполнительных механизмов являются:
- исключение целого ряда ступеней преобразования энергии и информации, упрощение кинематических устройств и , следовательно, высокая точность и улучшенные динамические характеристики самих ИМ и технологических машин в целом;
- конструктивная компактность модулей и, следовательно, улучшенные массогабаритные характеристики;
- возможность объединения мехатронных модулей в сложные мехатронные системы, допускающие быструю реконфигурацию;
- относительно низкая стоимость настройки и обслуживания благодаря модульности конструкции, унификации аппаратного и программного обеспечения;
- способность выполнять сложные движения за счет применения методов интеллектуального управления.
Следует отметить, что рост степени интеграции в микропроцессорной технике и переход к микроконтроллерам со встроенным набором специализированных
периферийных устройств делают перспективной широкую замену аналоговых систем управления исполнительными механизмами (электроприводами) на системы прямого цифрового управления. При этом под прямым цифровым управлением электроприводом понимается не только непосредственное управление от микроконтроллера каждым ключом силового преобразователя (управляемого выпрямителя или инвертора, коммутатора ШД или бесконтактного двигателя постоянного тока) ,но и обеспечение возможности прямого ввода в микроконтроллер сигналов обратной связи различного типа дискретных, аналоговых или импульсных.
Однако в каждом конкретном случае применение того или иного вида управления, применение или неприменение мехатронных модулей, особенно со встроенными электронными и управляющими устройствами, должно быть технически и экономически обоснованным.
Примеры интеллектуальных мехатронных исполнительных механизмов
Примером интеллектуального мехатронного ИМ может служить рассмотренная далее система векторного частотного управления трехфазным асинхронным двигателем АД.
Первоначально разработанные системы векторного управления на дискретных элементах(см.рис.3.8) содержали большое число нелинейных блоков, сложных в настройке и чувствительных к изменению параметров. Применявшаяся аппаратура не могла выполнять быстрое и точное измерение положения ротора и вычисление в реальном масштабе времени вектора магнитного потока.
В настоящее время наличие прецизионных оптических кодировщиков, высокоскоростных ротационных аналого-цифровых преобразователей (РЦП) и высокоскоростных цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) выдвинула векторное управление на передний край и позволило создать интеллектуальные мехатронные ИМ с широким диапазоном регулирования скорости с надежными АД.
Упрощенная блок-схема такого ИМ с асинхронным двигателем АД показана на рис. 8.2. В этой схеме функции управления и контроля выполняет контроллер на базе ЦСП в виде ИС типа ADMC300, ADMC330 или ADMC331. Входами для ЦСП являются токи двигателя (обычно три фазы), положение ротора и скорость двигателя. Для измерения токов часто используются датчики на основе эффекта Холла. Вращающийся трансформатор СКВТ преобразует с высокой точностью угол поворота ротора двигателя в аналоговый электрический сигнал. Преобразователь РЦП преобразует этот сигнал в цифровую форму и дополнительно вырабатывает сигнал, пропорциональный угловой скорости ротора. При этом отпадает необходимость в отдельном датчике скорости.
Для выполнения необходимых вычислений векторного управления в реальном масштабе времени используются процессор цифровой обработки сигналов ПЦОС и процессор векторного преобразования ПВП сигнального процессора. Результаты вычисления служат для управления инверторами.
ИС ADMC300 включает в себя 5-канальный 16-разрядный АЦП с высоким разрешением, 12-разрядный трехфазный широтно-импульсный модулятор (ШИМ) для регулирования напряжения постоянного тока на входе инвертора и гибкий интерфейс кодировщика для датчика положения обратной связи.
Другим примером интеллектуального мехатронного исполнительного механизма может служить устройство автоматического наведения приемной антенны спутникового телевидения на заранее запрограммированные позиции при переключении каналов. Эти устройства иногда называют многооборотными актюаторами.
Актюатор представляет собой цифровой позиционирующий электропривод (рис.8.3) состоящий из следующих функциональных узлов:
ИДПТ - исполнительный двигатель постоянного тока со встроенным редуктором;
ДУ - датчик угла типа магнитного или оптического энкодера, преобразующего угол поворота в импульсный код; магнитный или оптический ротор энкодера механически соединяется с выходным валом ИДПТ, а на статоре размещаются чувствительные элементы (магнитные резисторы, датчики Холла, фотодиоды) и электронная схема формирования импульсного кода;
МК - микропроцессорный контроллер, который воспринимает информацию энкодера о действительном положении антенны,, сравнивает ее с заданным по команде пульта управления телевизором и формирует команду для управления двигателем;
СП - силовой преобразователь для реализации управления двигателем;
А - антенна.
Успехи современных мехатронных технологий позволили создать актюаторы, в которых в едином конструктиве собраны вместе двигатель постоянного тока мощностью от 10 до 50Вт; встроенный редуктор с передаточным отношением 45; абсолютный многооборотный магнитный энкодер с разрешением до 20бит; силовая плата для управления двигателем на напряжение 24В, осуществляющая пуск и динамическое торможение двигателя; а также процессор микроконтроллера с CAN-bus шиной. Электронная схема преобразования энкодера, БИС процессора и модуль СП монтируются на одной печатной плате ПП, которая размещается в корпусе энкодера. Фланец корпуса энкодера крепится непосредственно к фланцу корпуса двигателя.