СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СЛЕДЯЩИМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ОБОРУДОВАНИЯ С ЧПУ

Предлагаемая система относится к области автоматического управления технологическими процессами и объектами и может применяться в следящих электроприводах оборудования с ЧПУ и робототехнике.
Известна система автоматического управления следящими приводами оборудования с ЧПУ (см.патент на полезную модель №26142, М.кл. G05B 19/18, G05В 17/02, опубл. 10.11.2002 г.), содержащая приводы оборудования с ЧПУ, датчики скорости и датчики положения, систему управления приводами и питанием датчиков, механическую передачу, охваченную обратной связью по положению, эталонную математическую модель, описывающую требуемое состояние технологической системы на каждом этапе технологического процесса, входом связанную с выходом управляющей программы оборудования с ЧПУ, а выходом - с первым входом блока сравнения, выход управляющей программы подключен также к приводам оборудования с ЧПУ, выходы которых подключены ко входу обрабатываемой заготовки (полуфабрикату), выходы системы питания датчиков положения и датчиков скорости подключены ко входу приводов оборудования с ЧПУ, выход обрабатываемой заготовки (полуфабриката) подключен ко входу оптического бесконтактного датчика, а его выход соединен со входом АЦП, выход которого подключен ко входу анализаторного блока, входящего в состав программного обеспечения персонального компьютера, выход анализаторного блока подключен ко второму входу блока сравнения, а вход блока принятия решения подключен к выходу блока сравнения, выход которого соединен со входом управляющей программы.
В данной системе использование эталонной математической модели позволяет определять величины отклонений между реакцией эталонной математической модели и выходными параметрами, описывающими состояние объекта управления - обрабатываемой детали, с последующей выработкой управляющего воздействия на объект управления.
Однако при автоматическом регулировании значений выходных параметров в данной системе не обеспечивается необходимая точность отслеживания их отклонений, поскольку не учитываются все необходимые параметры конкретного объекта управления (станка).
Известен электропривод с микропроцессорным управлением (см. патент на полезную модель №50062, М. кл. Н02Р 5/00, опубл. 10.12.2005 г.), содержащий полупроводниковый преобразователь, электродвигатель, датчики тока и скорости, формирователь импульсов, пульт управления, блок микропроцессорного управления, реализующий узел управления полупроводниковым преобразователем, систему подчиненного регулирования скорости электродвигателя, выполненную на базе пропорционально-интегральных регуляторов тока и скорости, входы блока микропроцессорного управления соединены с пультом управления и датчиками тока и скорости, а его выход - с формирователем импульсов, при этом блок микропроцессорного управления содержит соединенные между собой логическое устройство и функциональный преобразователь, а также АЦП, соответствующие выходы которого соединены с соответствующими входами логического устройства, на которых образуются коды сигналов тока и скорости электродвигателя, причем выход последнего соединен с управляющим входом пропорционально-интегрального регулятора скорости и осуществляет изменение коэффициента усиления его интегральной части в функции наличия тока и уровня скорости.
Предлагаемое устройство позволяет улучшить динамические свойства электропривода путем уменьшения времени переходного процесса при низких скоростях вращения в моменты пуска и реверса двигателя. Это обеспечивается благодаря блоку микропроцессорного управления, в котором программно реализованы логическое устройство и функциональный преобразователь, изменяющие коэффициент усиления инерционной части регулятора скорости в функции скорости. При малых скоростях при наличии тока коэффициент усиления возрастает, что обеспечивает высокое быстродействие электропривода (исключает запаздывание в зоне малых скоростей) как при наличии статической нагрузки, так и без нее.
Однако в данной системе имеет место изменение разброса движения в довольно широких пределах при разгоне и торможении двигателя, поскольку при значительном возрастании коэффициента усиления увеличиваются динамические погрешности, приводящие к неустойчивости электродвигателя. Это увеличивает его износ и уменьшает срок службы.
Известен микропроцессорный электропривод (см. патент на изобретение №2280315, М. кл. Н02Р 5/00, опубл. 20.07.2006 г.), содержащий полупроводниковый преобразователь, к выходу которого через датчик тока подключен электродвигатель, сочлененный с тахогенератором (датчиком скорости), управляющие цепи преобразователя через блок согласующих элементов подключены к выходам микропроцессорного блока управления, программно и аппаратно реализующего систему управления преобразователем, регулятор тока, цифровой регулятор скорости, многовходовой АЦП, блок защиты, входы АЦП соединены с выходами датчика тока, тахогенератора и терморезисторов, при этом регулятор
скорости выполнен двухзвенным и состоит из программируемого цифрового регулятора скорости, например, ПИ-типа, содержащегося в микропроцессорном блоке управления, и внешнего аналогового регулятора скорости, например, П-типа, входы которого подключены к задатчику скорости и тахогенератору, а его выход соединен со входом АЦП микропроцессорного блока управления, выход которого соединен со входом цифрового регулятора скорости, выходной сигнал которого является заданием тока электропривода на входе регулятора тока.
При этом внешний аналоговый регулятор скорости выполнен с цифровым программированием коэффициента усиления, который изменяется в зависимости от уровня скорости двигателя, причем его цифровой вход соединен с соответствующим выходом микропроцессорного блока управления.
Предлагаемое в данном устройстве двухзвенное регулирование скорости обеспечивает довольно высокую чувствительность к малым входным сигналам, как в аналоговых системах. Это важно в станочных электроприводах и робототехнике.
При этом данное устройство может использоваться с различными типами преобразователей и двигателей (постоянного и переменного тока), оснащенных аналоговыми тахогенераторами, что обеспечивает его универсальность.
Однако, как и в предыдущем аналоге, в нем имеет место разброс движения в довольно широких пределах при разгоне и торможении двигателя (не обеспечивается плавность движения), что увеличивает износ двигателя и уменьшает его срок службы.
v
v
с
м
с
м
1
Известна система следящего привода (см. Лебедев A.M., Орлова Р.Т., Пальцев А.В. «Следящие электроприводы станков с ЧПУ», М., Энергоатомиздат, 1988 г., стр.44), схема которой приведена на фиг.1 данной заявки, содержащая узел числового программного управления (УЧПУ), состоящий из интерполятора 1, сравнивающего устройства 2, цифрового последовательного корректирующего устройства 3, которое выполняет функцию пропорционального регулятора Е=КΔ, где Е - сигнал кода на выходе устройства 3, K - коэффициент усиления по скорости, Δ - сигнал рассогласования на входе цифрового последовательного корректирующего устройства 3. Δ=Х-Х, где Х - сигнал, соответствующий заданной позиции, Х - сигнал, соответствующий истинной позиции. На фиг.1 показана также пропорциональная часть регулятора 3 цифрового последовательного корректирующего устройства 3 и дискретно-непрерывный преобразователь 4, входом связанный с выходом цифрового последовательного корректирующего устройства 3.
УЧПУ связан со станком, снабженным сравнивающим устройством 5, усилителем мощности 6, исполнительным двигателем 7, тахогенератором 8, датчиком 9 обратной связи по положению. Связь УЧПУ со станком осуществляется путем соединения выхода дискретно-непрерывного преобразователя 4 УЧПУ с одним из входов сравнивающего устройства 5, а
также выхода датчика 9 с одним из входов сравнивающего устройства 2 УЧПУ, на который подается сигнал, соответствующий истинной позиции исполнительного двигателя 7. Тахогенератор 8 обеспечивает обратную связь по скорости, датчик 9 преобразует истинное положение (угол поворота) управляемого объекта (станка) в электрический сигнал, строго пропорциональный этому положению и подаваемый на один из входов сравнивающего устройства 2, в котором осуществляется сравнение этого сигнала обратной связи с сигналом Хс - от интерполятора 1, который соответствует заданной позиции (углу поворота) управляемого объекта (станка). Сигнал кода рассогласования Δ подается на устройство 3, в котором сигнал кода Е преобразуется в сигнал для управления приводом станка.
В данном устройстве, выбранном за прототип, для снижения статических ошибок любого типа стремятся увеличить коэффициент усиления Kv, что приводит к возрастанию динамических ошибок, и при некотором коэффициенте усиления, называемом предельным, следящий привод теряет устойчивость.
Результатом, достигаемым в предлагаемой системе, является повышение устойчивости привода, в частности, при разгоне и торможении двигателя, путем уменьшения динамических погрешностей при значительных коэффициентах усиления, что уменьшает износ двигателя и увеличивает его срок службы.
Достижение необходимого результата обеспечивается в предлагаемой системе автоматического управления следящими электроприводами оборудования с ЧПУ, содержащей исполнительный двигатель, снабженный тахогенератором, связанным с ним и с датчиком обратной связи по положению, при этом выход тахогенератора подключен к одному из входов сравнивающего устройства, выходом подключенного ко входу усилителя мощности, выход которого соединен со входом исполнительного двигателя, а выход датчика обратной связи по положению подключен к одному из входов сравнивающего устройства узла числового программного управления (УЧПУ), второй вход этого сравнивающего устройства соединен с первым выходом интерполятора, а выход - с первым входом цифрового корректирующего устройства, дискретно-непрерывный преобразователь, входящий также в УЧПУ, выходом соединен со входом сравнивающего устройства, которым снабжен исполнительный двигатель, отличающейся тем, что цифровое корректирующее устройство выполнено в виде пропорционально-дифференциально-интегрального регулятора положения (ПИД-регулятора), который содержит первый и второй входы, и алгебраического сумматора, выход которого является выходом ПИД-регулятора, интерполятор снабжен вторым выходом, на котором сформирован сигнал скорости, и который соединен со вторым входом ПИД-регулятора, являющимся его входом для дифференциальной части, а первый вход ПИД-регулятора является объединенным входом для пропорциональной и интегральной его частей, при этом к соответствующим входам
алгебраического сумматора подключены выходы пропорциональной, дифференциальной и интегральной частей ПИД-регулятора, а выход алгебраического сумматора подключен ко входу дискретно-непрерывного преобразователя.
Выполнение цифрового последовательного корректирующего устройства в виде пропорционально-дифференциально-интегрального регулятора положения (ПИД-регулятора), каждая часть которого выполняет определенную функцию и имеет в выражении для цифровой реализации этой функции соответствующий коэффициент, позволяет осуществить с помощью тестовой программы автоматический подбор оптимальных значений этих коэффициентов. В результате на выходе ПИД-регулятора формируются сигналы нормированных кодов от каждой его части. С помощью алгебраического сумматора в результате сложения трех сигналов от каждой части ПИД-регулятора обеспечивается формирование суммарного нормированного кода, который далее поступает на дискретно-непрерывный преобразователь. Используемая при подборе коэффициентов тестовая программа позволяет получить реальные параметры переходного процесса (максимальный выброс МР, время разгона TR и время затухания TS) для конкретного следящего привода. При этом выполнением повторов, т.е. изменением сочетаний коэффициентов для каждой части ПИД-регулятора, осуществляется поиск минимального значения для выражения:
2
2
2
Q=ν(MP+TR+TS)
Таким образом выбирается оптимальное сочетание коэффициентов для регулятора перемещения, т.е. уменьшаются динамические погрешности при разгоне и торможении двигателя, а следовательно, уменьшается износ двигателя и увеличивается срок его службы.
Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2. На фиг.3а приведен пример характеристик переходного процесса для оптимальных коэффициентов каждой части ПИД-регулятора, а на фиг.3б и 3в характеристики переходного процесса для неоптимальных коэффициентов частей ПИД-регулятора, на фиг.4 - блок-схема алгоритма работы сравнивающего устройства УЧПУ, а на фиг 5 - блок-схема алгоритма работы интерполятора.
1
2
3
4
4
Согласно фиг.2 предлагаемая система автоматического управления следящими электроприводами оборудования с ЧПУ содержит узел числового программного управления (УЧПУ), в который входят интерполятор 1, первый и второй выходы которого подключены к первому входу сравнивающего устройства 2 и входу цифрового последовательного корректирующего устройства 3 соответственно, причем устройство 3 выполнено в виде пропорционально-дифференциально-интегрального регулятора положения (ПИД-регулятора), который содержит пропорциональную 3, интегральную 3 и дифференциальную 3 части, выходы каждой из которых подключены ко входу алгебраического сумматора 3. Выход алгебраического сумматора 3 является выходом
ПИД-регулятора 3, который подключен ко входу 14 или 16-разрядного дискретно-непрерывного преобразователя 4, также входящего в УЧПУ. Связь УЧПУ с исполнительным двигателем объекта управления (станка) осуществляется путем подключения выхода преобразователя 4 к одному из входов сравнивающего устройства 5, которым снабжен исполнительный двигатель. Кроме того, последний снабжен усилителем мощности 6, ко входу которого подключен выход сравнивающего устройства 5. В свою очередь, вход исполнительного двигателя 7 соединен с выходом усилителя мощности 6, кроме того, исполнительный двигатель снабжен тахогенератором 8, выход которого подключен к другому входу сравнивающего устройства 5, и датчиком обратной связи по положению 9, связанному с тахогенератором 8, а выходом подключенным ко второму входу сравнивающего устройства 2 УЧПУ.
Работа предлагаемой системы автоматического управления следящими электроприводами оборудования с ЧПУ осуществляется следующим образом.
Устройство ввода УЧПУ (на фиг.2 не показано) осуществляет первичную обработку (дешифрацию, контроль, коррекцию, преобразование кодов) управляющей информации, представленной в символьном виде. Эта информация является входной информацией для интерполятора 1, который производит расчет всех промежуточных точек внутри заданного перемещения в цикле длительностью 2 мс с учетом параметров разгона, торможения и заданной скорости. Эта информация с выхода интерполятора 1 поступает на один из входов сравнивающего устройства 2, где происходит ее сравнение с преобразованным в цифровую форму сигналом, поступающим на второй вход сравнивающего устройства 2 от датчика 9 обратной связи по положению, содержащим информацию об истинном положении исполнительного органа станка в текущий момент времени. С выхода сравнивающего устройства 2 сигнал рассогласования Δ поступает на первый вход цифрового корректирующего устройства 3 (ПИД-регулятора), где подвергается дискретным операциям, выполняемым тремя частями ПИД регулятора 3:
Е - сигнал на выходе корректирующего устройства 3.
Ki - коэффициент пропорциональности.
Δ - рассогласование на входе корректирующего устройства 3.
1
Первое слагаемое характеризует выполняемую пропорциональной частью 3 функцию и реализуется в цифровом виде следующим образом:
Е1=Δ*КV*КС, где
КС - константа для преобразования сигнала на выходе корректирующего устройства 3 в нормированный код для передачи его в цифроаналоговый преобразователь 4.
Второе слагаемое характеризует выполняемую интегральной частью 32 функцию и реализуется в цифровом виде следующим образом:
, где:
KF-I - коэффициент пропорциональности для интегральной части регулятора ПИД.
3
Третье слагаемое характеризует выполняемую дифференциальной частью 3 функцию и реализуется в цифровом виде следующим образом:
E3=A*VFF*KC*KF_V,
где VFF - сигнал текущей скорости по оси, поступающий на другой вход ПИД-регулятора от интерполятора 1,
KF-V - коэффициент пропорциональности для дифференциальной части ПИД-регулятора.
4
Суммарный нормированный код на входном регистре цифроаналогового преобразователя 4 получается в результате сложения сигналов от трех вышеуказанных частей ПИД-регулятора в алгебраическом сумматоре 3:
Е=Е1+Е2+Е3.
Значения коэффициентов KV, KF_V и KF_I влияют на параметры переходного процесса, т.е. на точность и устойчивость работы следящего привода. Поэтому оптимальный подбор названных коэффициентов является актуальным.
Для упрощения процесса подбора оптимальных коэффициентов он осуществляется автоматически в соответствии с тестовой программой, важной частью которой является команда движения, выполнение которой повторяется с изменением этих коэффициентов.
Тестовая программа «автоматического подбора коэффициентов ПИД-регулятора» по структуре соответствует обычной технологической программе ISO 840, ГОСТ 20999-83. При загрузке тестовой программы в устройство ЧПУ, с последующим запуском, осуществляется преобразование сигналов в блоках 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 (фиг.2) с последующей выдачей результата обработки (управляющего напряжения) для управления вращением двигателя. При этом дополнительно осуществляется автоматическое изменение коэффициентов KV, KF_V, KF_I и поиск минимального значения для целевой функции Q в интерполяторе 1.
2
2
2
Известно, что характеристика переходного процесса скорости двигателя содержит важную информацию о качестве привода. Задание ступеньки скорости в качестве подачи в тестовой программе позволяет при помощи тестовой программы получить реальные параметры переходного процесса для данного следящего привода. При этом качество привода, как было сказано ранее, определяется при помощи трех основных параметров переходного процесса: максимального выброса МР, времени разгона TR и времени затухания TS. Одновременно выполняя повторы, т.е. изменяя сочетания коэффициентов KV, KF_V и KF_I осуществляется поиск минимального значения для выражения в виде целевой функции Q=<(MP+TR+TS).
В цифроаналоговом преобразователе 4 откорректированное в ПИД-регуляторе рассогласование Δ в виде нормированного кода преобразуется в пропорциональный аналоговый сигнал (напряжение) для управления
электроприводом двигателя 7. Диапазон аналогового сигнала может изменяться от -10 до +10 В. Для увеличения диапазона регулирования привод охватывается обратной связью по частоте вращения. Для этого на валу двигателя 7 установлен тахогенератор 8, напряжение которого Uт сравнивается в сравнивающем устройстве 5 с напряжением U на выходе цифроаналогового преобразователя 4. Разность (Uт-U) усиливается усилителем 6 и подается на двигатель 7.
Выполнение блоков предлагаемой системы можно пояснить следующим образом.
Интерполятор 1 (см. фиг..5) представляет собой автономный программный модуль и предназначен для линейной круговой и сплайновой интерполяции. Интерполятор содержит ряд независимых модулей: модуль разгона-торможения, линейный круговой и сплайновый интерполяторы.
Сравнивающее устройство 2 (см. фиг.4) представляет собой автономный программный модуль и предназначен для сравнения информации от датчика обратной связи с информацией от интерполятора в цифровом виде.
Цифроаналоговый преобразователь 4 может быть выполнен на микросхемы AD7545. Микросхема обеспечивает преобразование информации из цифровой формы в аналоговую форму в виде напряжения.
Сравнивающее устройство 5 представляет собой компонент привода типа НА-075 и обеспечивает сравнение аналоговой информации от цифроаналогового преобразователя с информацией от тахогенератора.
Усилитель мощности 6 является компонентом привода типа НА-075.
В качестве тахогенератора 8 может использован тахогенератор, входящий в состав двигателя типа НМ-18-22.0-020 и обеспечивает обратную связь по скорости.
Датчик обратной связи 9 представляет собой энкодер типа ВЕ-178А5 и обеспечивает преобразование величины перемещения по оси в последовательность импульсов, которая преобразуется с помощью энкодерной платы (например NC110-3) в цифровую форму.
ПИД-регулятор 3 может быть реализован в виде автономного программного модуля в соответствии с вышеуказанными рекомендациями.