Оптимизация алгоритма микропроцессорного управления следящим электромеханическим приводом

УДК 621

ОПТИМИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА МИКРОПРОЦЕССОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ СЛЕДЯЩИМ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ

ПРИВОДОМ

Д.А. Стручев

Приведены результаты исследования следящего привод с микропроцессорным управлением. Приводятся результаты экспериментальной проверки и оптимизации алгоритма работы микроконтроллера.

Ключевые слова: микроконтроллер, следящий привод, ШИМ, управление.

Следящий привод является неотъемлемой частью большинства технических систем. В данной работе исследовался электромеханический привод вариометра антенного согласующего устройства. В приводе использовался двигатель постоянного тока с ШИМ управлением. Целью исследования было определение алгоритма управления с учетом момента трогания двигателя.

Эксперимент проводился со следящим приводом, функциональная схема которого представлена на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная схема следящего привода

Элементами данной системы являются:

- микроконтроллер (МК);

- драйвер двигателя постоянного тока;

- двигатель постоянного тока;

- редуктор;

- потенциометрический датчик;

- выходное звено, при помощи которого система приводится в состояние рассогласования.

Микроконтроллер обрабатывает сигнал обратной связи, поступающий с потенциометрического датчика, с помощью встроенного аналого-цифрового преобразователя. Далее, после выполнения программы микро-

контроллером, с МК подается управляющий сигнал на драйвер двигателя постоянного тока, который предназначен для усиления сигнала по мощности. В последующем усиленный и преобразованный электрический сигнал подстройки поступает на двигатель постоянного тока, который производит регулирование выходного звена, до тех пор, пока не будет достигнуто равновесное состояние, заданное в программе микроконтроллера.

Для реализации данной функциональной схемы был выбран микроконтроллер АТТШУ45. Он поставляется в корпусе Б1Р8 со встроенным ЯС-генератором на 8 МГц, а также содержит все необходимые аппаратные компоненты:

- встроенный аналого-цифровой преобразователь с точностью в 10 разрядов;

- блок широтно-импульсной модуляции;

- порты ввода-вывода для задания логических уровней [1].

В качестве драйвера для согласования микроконтроллера с двигателем используется микросхема Ь293Б. Данный драйвер имеет напряжение питания управления равное 5 В. Напряжение силовой части - до 30 В. Максимальный ток нагрузки на каждый канал - 600 мА [2].

В результате была разработана электрическая принципиальная схема экспериментальной установки, изображенная на рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная схема следящего привода

Рассмотрим алгоритм работы корректирующего звена следящей системы. Из исходных данных знаем, что диапазон входного напряжения 0 - 5 В, соответственно порог изменения направления движения двигателя равен 2,5 В. Условно принимаем, что прокрутка по часовой стрелке (вправо) потенциометра уменьшает значение входного напряжения, а прокрутка против часовой стрелки (влево) соответственно увеличивает.

На рис. 3 представлен алгоритм микроконтроллера. Данный алгоритм является замкнутым, т. е. бесконечным. Первым действием производится считывание значения аналого-цифрового преобразователя и задание искусственной зоны нечувствительности umin и umax равные 2,45 и 2,55 В соответственно. Считанное значение записывается в переменную а. Далее

182

происходит проверка условий, по которым определяется следующее действие. При выполнении условия а>итах происходит переход в подпрограмму уменьшения значения входного напряжения. После данной подпрограммы выполнение программы начинается сначала. При выполнении условия а<итп происходит переход в подпрограмму выполнения увеличения входного напряжения. Так же как и в предыдущей ветви алгоритма, после выполнения подпрограммы, цикл программы начинается заново. При выполнении условия итп<а<итах происходит переход в начало алгоритма без выполнения подпрограмм.

Рис. 3. Основной цикл работы микроконтроллера

Рассмотрим алгоритм подпрограммы уменьшения и увеличения, который использовался для проверки работы разработанной электрической схемы на примере подпрограммы уменьшения, представленной на рис. 4. Она состоит из трех циклов с постусловием. ШИМЛ1-3 является командами включения широтно-импульсного модулятора с различным коэффициентом заполнения. ШИМЛ1 обладает минимальным коэффициентом, а ШИМЛ3 - максимальным. Для проверки было решено принять ШИМЛ3 равное 100 %, ШИМЛ2 - 80 % и ШИМЛ1 - 50 %. Экспериментальная проверка подтвердила работоспособность предложенного алгоритма.

ШИМЛ.1

шимлз

ШЙМЛЗ

=с

Конец

Рис. 4. Алгоритм подпрограммы уменьшения

Определим зону нечувствительности двигателя. Для этого вместо алгоритма подпрограммы используем линейную функцию вида

кх+Ь = у,

где л - значение аналого-цифрового преобразователя; у - значение широтно-импульсной модуляции; к и Ь - коэффициенты.

Так как используется 8-разрядный широтно-импульсный модулятор, то максимальное задаваемое значение для модуляции - 255, соответствующее 100 %-му коэффициенту заполнения. Значение аналого-цифрового преобразователя изменяется в диапазоне от 0 до 1023 и порогу изменения направления соответствует значение 511. Используя эти данные, решим системы уравнений для увеличения и уменьшения воздействия. В результате получаем две функции:

Начало

+

Счит^ша нле АЦП

Счит^шаниг АЦП

-0,5x + 255 = y

0,5x - 255 = y.

Так как на двигатель действует момент нагрузки, опытным путем была получена зона нечувствительности двигателя относительно сигнала управления по входящему напряжению на аналого-цифровой преобразователь. Она равняется 0,972 В.

Теперь рассчитаем коэффициент заполнения ШИМ в процентном и числовом соотношениях, на примере подпрограммы увеличения. Для начала найдем значение АЦП зоны нечувствительности для одного направления с помощью следующего уравнения:

d = e,

2а w

где 5 - зона нечувствительности, В; о - чувствительность АЦП, В; s -значение АЦП зоны нечувствительности одного направления.

Так как чувствительность АЦП равна 0,00488 В, получаем:

0 972

0,972 = 99,59 » 100.

2 • 0,00488

Подставим результат уравнения (3) в уравнение (1), одновременно рассчитав значение АЦП для подпрограммы увеличения. Определим зону нечувствительности двигателя в значении ШИМ:

-0,5(511-100) + 255 = 49.

Получим коэффициент заполнения зоны нечувствительности, выраженный в процентах:

49

--100% » 19%

255

Зная минимальный коэффициент заполнения модуляции равный 49, решим систему уравнений. Получаем следующие функции воздействия:

-0,4x + 255 = y

0,4x-158 = y

В результате исследования был экспериментально проверен алгоритм работы микроконтроллера и опытным путем были получены оптимизированные уравнения управления (4) и (5). Для увеличения точности можно задать искусственную зону нечувствительности величиной, соизмеримой с минимальной чувствительностью АЦП.

Список литературы

1. Datasheet "ATtiny25/45/85"// 2013 Atmel Corporation / Rev.: 2586QS-AVR-08/2013;

2. Datasheet "L293D"// 1994 SGS-THOMSON Microelectronics;

3. Ахметжанов А. А., Кочемасов А. В., Следящие системы и регуляторы: учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1986. 288 с.

185

Стручев Денис Александрович, магистрант, nedrf@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

STUDY AND OPTIMIZATION OF MANAGEMENT FUNCTIONS OF SERVO DRIVE.

D. A. Struchev

This paper examines the servo drive, in which the control using pulse width modulation means microcontroller. Presents the results of the experiment efficiency of the algorithm for the microcontroller and optimization of the control function.

Key words: microcontroller, servo drive, the PWM, control.

Struchev Denis Aleksandrovich, magister, nedrfamail. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 629.7.06

МЕТОДИКА СИНТЕЗА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА РОБОТА, ИНВАРИАНТНОГО К ПАРАМЕРИЧЕСКИМ И ВНЕШНИМ ВОЗМУЩЕНИЯМ

И.К. Хапкина

Рассмотрен синтез следящего электропривода многозвенного манипуляторами. Предложен метод синтеза систем управления электроприводом, инвариантного к параметрическим и внешним возмущениям с использованием скользящего режима. Построен релейный регулятор, предложены обратные связи и методика расчета их параметров. Предложена схема технической реализация регулятора.

Ключевые слова: робот, электропривод, инвариантность, скользящий режим, точность.

Производительность роботов в значительной степени определяется быстродействием приводов его звеньев. Кроме того, скорость выполнения технологических задач роботами должна соответствовать скоростям другого оборудования, функционирующего совместно с роботом. Для обеспечения заданного быстродействия робота должна быть разработана эффективная система автоматического регулирования скорости работы приводов робота, отвечающих за выполнение конкретных задач. Современные роботы в большинстве своем оснащаются электроприводами, так как именно для данного типа приводов задача управления решается наиболее просто. Главным элементом электроприводов является электродвигатель, преобразующий электрическую энергию в механическую. Задача