Плата управления сервоприводом

Полезная модель относится к области элементов управления подвижными объектами с использованием сервоприводов со встроенной электроникой для управления электродвигателем, например, к управлению роботами-манипуляторами. Плата управления состоит из микроконтроллера, цепей измерения напряжения с датчиков положения выходного вала сервоприводов с аналоговым преобразованием сигнала, цепей измерения потребляемого тока сервоприводом. На плате располагаются разъемы для подключения питания, разъем шины данных и синхронизации, разъемы питания и управления сервоприводами и разъемы для подключения сигнала обратной связи по положению выходного вала сервопривода. Использование полезной модели позволяет расширить технологические возможности платы управления сервоприводом.
В настоящий момент известны различные устройства использующие контроллеры для формирования управляющих сигналов для сервоприводов и позволяющие обрабатывать поступающую с датчиков информацию.
Устройство, описанное в патенте RU 61900, содержащее микроконтроллер, осуществляющий сбор, обработку и передачу измерительной информации при помощи модуля ввода дискретных сигналов, преобразователь сигналов интерфейса RS-485, преобразователь сигналов интерфейса RS-232, модуль телеуправления, передающий команды телеуправления от микроконтроллера во внешнее устройство. Устройство выполнено в виде разъемной конструкции, состоящей из электронного блока и кроссового блока для присоединения внешних устройств и питания, все элементы устройства расположены на одной печатной плате, устройство снабжено преобразователем сигналов интерфейса CAN, модулем часов реального времени, сообщающим микроконтроллеру точное астрономическое время, энергонезависимой памятью большой емкости для хранения конфигурации устройства и собранной микроконтроллером информации, модулем индикации входных дискретных сигналов, индицирующим наличие входных дискретных сигналов, цепи интерфейсов и внутренние электрические цепи устройства гальванически развязаны между собой.
Устройство, описанное в зарубежном научном журнале (Udai, Arun & Sinha, Amarendra. (2007). Constructing a 16-Channel Bluetooth Wireless Servo Motor Controller. ATMEL Application Journal. 9. 1-5. https://www.researchgate.net/publication/281509798_Constructing_a_16-Channel_Bluetooth_Wireless_Servo_Motor_Controller) содержит микроконтроллер, передающий управляющие сигналы на сервоприводы. Устройство получает команды по шине данных и формирует управляющие сигналы для 16-ти сервоприводов. Устройство не имеет обратной связи по положению выходного вала сервопривода и потребляемому им току.
За прототип принято устройство, описанное в патенте RU 203739, которое состоит из компонентов: плата управления сервоприводом, содержащая микроконтроллер, выполненный с возможностью соединения с управляющим устройством посредством расположенной на плате клеммы для подключения к шине связи, и расположенную на плате клемму для соединения микроконтроллера с двигателем сервопривода, отличающаяся тем, что она снабжена связанным с микроконтроллером встроенным датчиком угла поворота вала двигателя сервопривода и клеммой для подключения к микроконтроллеру внешнего датчика угла поворота вала двигателя сервопривода.
Недостатками перечисленных устройств является отсутствие датчиков тока, возможности изменять параметры усиления аналогового сигнала обратной связи по угловому положению выходного вала сервопривода при помощи механических переключателей и отсутствие функции синхронизации.
Контроллер позволяет преобразовать поступающие команды по шине данных UART в сигналы управления сервоприводами, при этом не имеет обратной связи.
Основной недостаток контроллера состоит в невозможности одновременно следить за положением выходного вала и потребляемым током каждого привода.
Анализ известных решений показал, что технической проблемой в данной области является необходимость расширения арсенала средств, для управления множеством сервоприводов является отсутствие возможности контроля угла поворота выходного вала с одновременным контролем потребляемого тока и синхронизации производимого контроля во времени с передачей информации по шине данных на ЭВМ.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является увеличение возможностей управления сервоприводами на мобильных роботах и манипуляторах.
Для решения указанной проблемы и получения заявленного технического результата, плата управления сервоприводом, содержащая микроконтроллер, с датчиком угла поворота вала двигателя сервопривода, выполненный с возможностью соединения с управляющим устройством посредством расположенной на плате клеммы для подключения к шине связи, дополнительно снабжена датчиками тока и усилителем аналогового сигнала положения выходного вала сервопривода, кроме того на плате размещена клемма подключения сигнала синхронизации от внешнего генератора и генератор управляющего сигнала.
Технический результат достигается за счет того, что на одной плате управления сервоприводами размещены: микроконтроллер, схемы и клемма подключения к шине связи, схемы и клемма сигнала синхронизации, схемы и клеммы для соединения с сервоприводами, схемы и клеммы для подключения сигнала обратной связи сервопривода по углу поворота выходного вала через усилитель, датчика тока сервопривода.
Заявляемое техническое решение позволит управлять положением выходного вала сервоприводами с контролем исполнения команд. Контроллер позволяет определять положение выходного вала, его скорость, ускорение вращения и потребляемый ток электромотором, что дает возможность путем изменения управляющего сигнала изменять скорость вращения выходного вала и момент силы вращения. Применяя цифровую обработку сигналов обратной связи, контроллер позволяет определять пространственное положение рычагов манипуляторов и выявлять отклонения в позиционировании, вызванные переменной механической нагрузкой на сервопривод. Также контроллер позволяет определять чрезмерную нагрузку на электромотор и предотвращать выход его из строя из-за перегрузки. Серийно выпускаемые приводы имеют различающийся диапазон напряжений обратной связи, для их обработки применяется преобразователь сигнала, позволяющий усиливать и смещать начальную точку отсчета. Контроллер содержит разъем для подключения сигнала синхронизации, с которого информация передается по шине передачи данных.
На фигуре представлена схема устройства.
На плате управления сервоприводами 1 размещены: клеммы подключения сервоприводов 5, клеммы датчиков положения выходного вала сервоприводов 6, клеммы подключения источника электропитания сервоприводов 8, датчики тока 9, генератор управляющего сигнала 10, клемма подключения к шине связи 11, клемма подключения сигнала синхронизации 12, переключатели коэффициента усиления аналоговых датчиков 13, переключателей смещения нулевой точки аналоговых датчиков 14, усилитель аналогово сигнала положения выходного вала сервопривода 15, микроконтроллер 16.
Устройство работает следующим образом. Микроконтроллер 16 расположенный на плате управления сервоприводами 1 по команде с ЭВМ 3, предаваемой по шине связи через клемму 11, изменяет управляющий сигнал, подаваемый через клемму 5 на сервоприводы с генератора управляющих сигналов 10. Сервоприводы 2 устанавливают заданное управляющим сигналом положение выходного вала и передают на плату 1 сигнал обратной связи, по положению выходного вала, поступающий на клеммы 6. С клемм 6 сигнал поступает на усилитель 15, коэффициент усиления которого задается переключателем 13 и смещение нулевой точки сигнала переключателем 14. С усилителя 15 сигнал поступает на преобразователь напряжения в цифровое значение (АЦП - аналогово-цифровой преобразователь) в микроконтроллере 16. Источник питания сервоприводов 7 подключается через клемму 8 к датчикам тока 9. Микроконтроллер 16 производит измерения сигналов обратной связи по положению выходного вала и величину потребляемого тока сервоприводом с датчиков 9, считывает сигнал синхронизации, поступающий через клемму 12 от внешнего генератора 4, и передает измерения по шине данных через клемму 11 на ЭВМ 3.
Выводы. По сравнению с прототипом заявляемое техническое решение позволит управлять положением выходного вала сервоприводами с контролем исполнения команд. Контроллер позволяет определять положение выходного вала, его скорость, ускорение вращения и потребляемый ток электромотором, что дает возможность путем изменения управляющего сигнала изменять скорость вращения выходного вала и момент силы вращения. Указанное увеличивает возможности управления сервоприводами на мобильных роботах и манипуляторах.