ЭЛЕКТРОПРИВОД С АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ ВХОДНОГО ГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА
ELECTRIC DRIVE WITH AUTOMATIC CONTROL OF INPUT HARMONIC SIGNAL FREQUENCY

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании систем управления электроприводами.
Известно устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый и второй сумматоры, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор - с первым датчиком положения, выход которого соединен с первым положительным входом первого сумматора, подключенного вторым входом ко входу устройства, последовательно соединенные релейный блок и четвертый сумматор, второй положительный вход которого соединен с выходом первого датчика скорости и входом релейного блока, последовательно соединенные первый задатчик сигнала и пятый сумматор, второй положительный вход которого подключен к выходу датчика массы, а выход - к второму входу первого блока умножения, последовательно соединенные второй датчик скорости, установленный в третьей степени подвижности робота, второй блок умножения и третий блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика скорости, а выход - с третьим отрицательным входом четвертого сумматора, а также второй датчик положения, установленный в третьей степени подвижности робота, причем второй отрицательный вход второго сумматора соединен с выходом первого датчика скорости, а выход четвертого сумматора подключен ко второму положительному входу третьего сумматора, последовательно соединенные второй задатчик сигнала, шестой сумматор, четвертый блок умножения, второй вход которого через первый косинусный функциональный преобразователь соединен с выходом второго датчика положения, седьмой сумматор, второй положительный вход которого соединен с выходом третьего задатчика сигнала, и пятый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика ускорения, установленного в третьей степени подвижности робота, а выход подключен к четвертому положительному входу четвертого сумматора, последовательно соединенные второй синусный функциональный преобразователь, вход которого соединен со входом первого косинусного функционального преобразователя, и шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора, а выход - ко второму входу второго блока умножения, пятый отрицательный вход четвертого сумматора подключен к выходу седьмого блока умножения, первый вход которого соединен с выходом второго датчика скорости, а второй вход - с выходом второго блока умножения, третий положительный вход пятого сумматора соединен с выходом четвертого блока умножения, третий положительный вход седьмого сумматора подключен к выходу датчика массы и второму положительному входу шестого сумматора, последовательно соединенные восьмой сумматор, первый положительный вход которого подключен к выходу второго датчика положения, а его второй положительный вход - к выходу первого датчика положения, третий синусный функциональный преобразователь, восьмой блок умножения, девятый сумматор и девятый блок умножения, выход которого подключен к шестому положительному входу четвертого сумматора, а также второй датчик ускорения, установленный в первой степени подвижности робота, и последовательно соединенные четвертый задатчик сигнала, десятый сумматор, десятый блок умножения, второй вход которого через четвертый синусный функциональный преобразователь подключен к выходу первого датчика положения, а его выход - ко второму положительному входу девятого сумматора, последовательно соединенные пятый задатчик сигнала и одиннадцатый сумматор, второй положительный вход которого подключен к выходу датчика массы и ко второму положительному входу десятого сумматора, а его выход - ко второму положительному входу восьмого блока умножения, последовательно соединенные третий датчик ускорения, механически связанный с выходным валом двигателя, и одиннадцатый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго блока умножения, а выход - с первым отрицательным входом двенадцатого сумматора, второй положительный вход которого подключен к выходу третьего датчика ускорения, а выход - к третьему положительному входу третьего сумматора, последовательно соединенные первый дифференциатор и двенадцатый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом седьмого сумматора, а также тринадцатый блок умножения, первый вход которого подключен к выходу шестого блока умножения, второй вход - к выходу первого датчика ускорения и входу первого дифференциатора, а выход - к первому отрицательному входу тринадцатого сумматора, выход которого подключен ко входу четырнадцатого блока умножения, последовательно соединенные квадратор, пятнадцатый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом четвертого блока умножения, и шестнадцатый блок умножения, последовательно соединенные четырнадцатый сумматор, семнадцатый блок умножения и восемнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу одиннадцатого сумматора, последовательно соединенные пятый косинусный функциональный преобразователь, вход которого соединен с выходом первого датчика положения, девятнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу десятого сумматора, двадцатый блок умножения и двадцать первый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика скорости, первым положительным входом четырнадцатого сумматора и вторым входом четырнадцатого блока умножения, последовательно соединенные шестой косинусный функциональный преобразователь, подключенный вводом к выходу восьмого сумматора, и двадцать второй блок умножения, выход которого соединен со вторым входом семнадцатого блока умножения, последовательно соединенные второй дифференциатор, подключенный входом к выходу второго датчика ускорения, и двадцать третий блок умножения, второй вход которого соединен с выходом восьмого блока умножения, а также двадцать четвертый блок умножения, первый вход которого соединен с выходом десятого блока умножения, а его второй вход - с выходом второго дифференциатора, а выход - с третьим положительным входом двенадцатого сумматора, четвертый положительный вход которого подключен к выходу двадцать третьего блока умножения, пятый положительный вход - к выходу восемнадцатого блока умножения, шестой положительный вход - к выходу двадцать первого блока умножения, седьмой положительный вход - к выходу четырнадцатого блока умножения, восьмой отрицательный вход - к выходу шестнадцатого блока умножения, девятый положительный вход - к выходу двенадцатого блока умножения, а десятый отрицательный - к выходу двадцать пятого блока умножения, первый вход которого соединен с выходом тринадцатого блока умножения, а второй вход - с выходом второго датчика скорости, входом квадратора, вторым входом шестнадцатого блока умножения и вторым положительным входом четырнадцатого сумматора, причем второй отрицательный вход тринадцатого сумматора подключен к выходу пятнадцатого блока умножения (см. патент РФ №2258601, БИ №23, 2005 г.).
Его недостатком является то, что оно обеспечивает заданные показатели качества только для манипулятора с определенной кинематической схемой, а также не учитывает ограничения, накладываемые на электропривод.
Известно также устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый и второй сумматоры, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор - с первым датчиком положения, выход которого соединен с первым положительным входом первого сумматора, подключенного вторым входом к входу устройства, последовательно соединенные релейный блок и четвертый сумматор, второй положительный вход которого соединен с выходом первого датчика скорости и входом релейного блока, последовательно соединенные первый задатчик сигнала и пятый сумматор, второй положительный вход которого подключен к выходу датчика массы, а выход - ко второму входу первого блока умножения, последовательно соединенные второй датчик скорости, установленный в третьей степени подвижности робота, второй блок умножения и третий блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика скорости, а выход - с третьим отрицательным входом четвертого сумматора, а также второй датчик положения, установленный в третьей степени подвижности робота, причем второй отрицательный вход второго сумматора соединен с выходом первого датчика скорости, а выход четвертого сумматора подключен ко второму положительному входу третьего сумматора, последовательно соединенные второй задатчик сигнала, шестой сумматор, четвертый блок умножения, второй вход которого через первый косинусный функциональный преобразователь соединен с выходом второго датчика положения, седьмой сумматор, второй положительный вход которого соединен с выходом третьего задатчика сигнала, и пятый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика ускорения, установленного в третьей степени подвижности робота, а выход подключен к четвертому положительному входу четвертого сумматора, последовательно соединенные второй синусный функциональный преобразователь, вход которого соединен со входом первого косинусного функционального преобразователя, и шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора, а выход - ко второму входу второго блока умножения, пятый отрицательный вход четвертого сумматора подключен к выходу седьмого блока умножения, первый вход которого соединен с выходом второго датчика скорости, а второй вход - с выходом второго блока умножения, третий положительный вход пятого сумматора соединен с выходом четвертого блока умножения, третий положительный вход седьмого сумматора подключен к выходу датчика массы и второму положительному входу шестого сумматора, последовательно соединенные восьмой сумматор, первый положительный вход которого подключен к выходу второго датчика положения, а его второй положительный вход - к выходу первого датчика положения, третий синусный функциональный преобразователь, восьмой блок умножения, девятый сумматор и девятый блок умножения, выход которого подключен к шестому положительному входу четвертого сумматора, а также второй датчик ускорения, установленный в первой степени подвижности робота, и последовательно соединенные четвертый задатчик сигнала, десятый сумматор, десятый блок умножения, второй вход которого через четвертый синусный функциональный преобразователь подключен к выходу первого датчика положения, а его выход - ко второму положительному входу девятого сумматора, последовательно соединенные пятый задатчик сигнала и одиннадцатый сумматор, второй положительный вход которого подключен к выходу датчика массы и ко второму положительному входу десятого сумматора, а его выход - ко второму положительному входу восьмого блока умножения, последовательно соединенные третий датчик ускорения, механически связанный с выходным валом двигателя, и одиннадцатый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго блока умножения, а выход - с первым отрицательным входом двенадцатого сумматора, второй положительный вход которого подключен к выходу третьего датчика ускорения, а выход - к третьему положительному входу третьего сумматора, последовательно соединенные первый дифференциатор и двенадцатый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом седьмого сумматора, а также тринадцатый блок умножения, первый вход которого подключен к выходу шестого блока умножения, второй вход - к выходу первого датчика ускорения и входу первого дифференциатора, а выход - к первому отрицательному входу тринадцатого сумматора, выход которого подключен к входу четырнадцатого блока умножения, последовательно соединенные квадратор, пятнадцатый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом четвертого блока умножения, и шестнадцатый блок умножения, последовательно соединенные четырнадцатый сумматор, семнадцатый блок умножения и восемнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу одиннадцатого сумматора, последовательно соединенные пятый косинусный функциональный преобразователь, вход которого соединен с выходом первого датчика положения, девятнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу десятого сумматора, двадцатый блок умножения и двадцать первый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика скорости, первым положительным входом четырнадцатого сумматора и вторым входом четырнадцатого блока умножения, последовательно соединенные шестой косинусный функциональный преобразователь, подключенный вводом к выходу восьмого сумматора, и двадцать второй блок умножения, выход которого соединен со вторым входом семнадцатого блока умножения, последовательно соединенные второй дифференциатор, подключенный входом к выходу второго датчика ускорения, и двадцать третий блок умножения, второй вход которого соединен с выходом восьмого блока умножения, а также двадцать четвертый блок умножения, первый вход которого соединен с выходом десятого блока умножения, а его второй вход - с выходом второго дифференциатора, а выход - с третьим положительным входом двенадцатого сумматора, четвертый положительный вход которого подключен к выходу двадцать третьего блока умножения, пятый положительный вход - к выходу восемнадцатого блока умножения, шестой положительный вход - к выходу двадцать первого блока умножения, седьмой положительный вход - к выходу четырнадцатого блока умножения, восьмой отрицательный вход - к выходу шестнадцатого блока умножения, девятый положительный вход - к выходу двенадцатого блока умножения, а десятый отрицательный - к выходу двадцать пятого блока умножения, первый вход которого соединен с выходом тринадцатого блока умножения, а второй вход - с выходом второго датчика скорости, входом квадратора, вторым входом шестнадцатого блока умножения и вторым положительным входом четырнадцатого сумматора, причем второй отрицательный вход тринадцатого сумматора подключен к выходу пятнадцатого блока умножения, отличающееся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные шестой задатчик сигнала и пятнадцатый сумматор, второй положительный вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения, а выход - ко вторым входам девятого, двадцатого и двадцать второго блоков умножения (см. пат. РФ №2312007, БИ №4, 2007 г.).
Недостатком прототипа является то, в процессе его работы не обеспечивается автоматический выбор предельно возможного режима работы, обеспечивающего максимальную скорость работы привода, а следовательно, и производительность этого устройства.
Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является обеспечение максимального значения частоты задающего сигнала, а следовательно, и максимальной скорости движения объекта управления в условиях одновременного изменения его параметров и амплитуды задающего сигнала, при сохранении заданного допустимого уровня амплитуды динамической ошибки.
Технический результат заявляемого решения выражается в формировании дополнительного контура автоматической настройки максимально возможного (при заданной динамической ошибке и амплитуде входного сигнала) значения частоты задающего сигнала, а следовательно, и максимально возможной скорости перемещения объекта по задаваемой траектории без превышения допустимого значения динамической ошибки управления на основе информации о разнице между заданной (допустимой) и текущей амплитудой указанной динамической ошибки.
Поставленная задача решается тем, что в электропривод с автоматической подстройкой частоты входного гармонического сигнала, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, корректирующее устройство, усилитель, двигатель, редуктор, датчик положения, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, дополнительно вводятся последовательно соединенные блок вычисления модуля, вход которого соединен с выходом первого сумматора, второй сумматор, релейный элемент, запоминающее устройство, информационный вход которого соединен с выходом блока вычисления модуля и через устройство задержки со вторым входом второго сумматора, третий сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого задатчика сигнала, первый интегратор, фильтр низких частот второго порядка, четвертый сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго задатчика сигнала, второй интегратор, синусный функциональный преобразователь, блок умножения, второй вход которого соединен с третьим задатчиком сигнала, а выход со вторым входом первого сумматора.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствуют о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения позволяют обеспечить максимально возможную частоту задающего гармонического сигнала (максимальную производительность работы) в условиях переменности параметров электропривода без превышения допустимого значения динамической ошибки управления.
Блок-схема предлагаемого электропривода с автоматической подстройкой частоты входного гармонического сигнала представлена на чертеже.
Электропривод с автоматической подстройкой частоты входного гармонического сигнала содержит последовательно соединенные первый сумматор 1, корректирующее устройство 2, усилитель 3, двигатель 4, редуктор 5, датчик положения 6, выход которого соединен с первым входом первого сумматора 1, последовательно соединенные блок вычисления модуля 7, вход которого соединен с выходом первого сумматора 1, второй сумматор 8, релейный элемент 9, запоминающее устройство 10, информационный вход которого соединен с выходом блока вычисления модуля 7 и через устройство задержки со вторым входом второго сумматора 8, третий сумматор 12, второй вход которого соединен с выходом первого задатчика сигнала 13, первый интегратор 14, фильтр низких частот второго порядка 15, четвертый сумматор 16, второй вход которого соединен с выходом второго задатчика сигнала 17, второй интегратор 18, синусный функциональный преобразователь 19, блок умножения 20, второй вход которого соединен с третьим задатчиком сигнала 21, а выход со вторым входом первого сумматора 1. Объект управления 22.
ε
На чертеже введены следующие обозначения: х*=A*sin(ω*+Δω)t - задающий сигнал, поступающий на вход электропривода; А* и ω* - текущее значение амплитуды и базовая частота сигнала х* соответственно; Δω - добавочное значение частоты; ε=х*-х и х - выходной сигнал и динамическая ошибка привода соответственно;  - допустимое значение амплитуды динамической ошибки; А - текущее значение амплитуды динамической ошибки; U*, U - соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления электродвигателем.
Устройство работает следующим образом. Сигнал динамической ошибки ε=х*-х с сумматора 1, имеющего единичные коэффициенты усиления, поступает на вход корректирующего устройства 2, вырабатывающего сигнал управления U*, который после усиления поступает на вход электродвигателя 4, приводя его вал во вращательное движение. Как известно, амплитуда ошибки ε будет увеличиваться при увеличении и амплитуды задающего сигнала, и момента инерции объекта управления, и наоборот, уменьшение значений этих параметров приведет к уменьшению амплитуды ε. Для сохранения динамической точности работы привода можно изменять частоту задающего сигнала (при уменьшении частоты амплитуда ошибки будет уменьшаться). Если амплитуда входного сигнала или момент инерции объекта управления имеют такие значения, при которых амплитуда ошибки становится меньше допустимой, то можно увеличить частоту входного сигнала, а следовательно, и скорость движения объекта (производительность выполнения технологических операций), сохранив заданную динамическую точность.
Основным преимуществом предлагаемого решения является то, что коррекция частоты задающего сигнала происходит автоматически без какого-либо измерения текущих значений параметров объекта управления. Для реализации этого решения формируется дополнительный контур коррекции частоты задающего сигнала с использованием отрицательной обратной связи по амплитуде ошибки.
Определение текущей амплитуды s осуществляется с помощью блоков 7, 8, 9, 10, 11. При этом определяется момент времени, когда модуль гармонического сигнала достигает максимальной величины. В этот момент происходит запоминание значения модуля ошибки гармонического сигнала, которое и будет соответствовать его амплитуде.
Работа блоков 7, 8, 9, 10, 11 заключается в следующем. Первый положительный и второй отрицательный входы сумматора 8 имеют единичные коэффициенты усиления, поэтому на его выходе формируется сигнал: |ε(t)|-|ε(t-τ)|, где τ - время запаздывания, обеспечиваемое блоком 11, t - текущее время. Если |ε(t)|-|ε(t-τ)|>0, то величина ошибки ε увеличивается по модулю, а если |ε(t)|-|ε(t-τ)|<0, то уменьшается. То есть знак выходного сигнала сумматора 8 определяет нарастание или убывание модуля ошибки. Релейный элемент 9, имеющий характеристику:
вых9
ε
ε
Момент изменения u с 1 на 0 соответствует моменту времени, когда характер изменения модуля ε меняется с нарастания на убывание. В этот момент и происходит запоминание выходного сигнала блока 7 устройством 10, на выходе которого формируется сигнал А, соответствующий текущей амплитуде динамической ошибки системы. Сигнал А обновляется один раз за полпериода входного сигнала, а между обновлениями он постоянен.
i
i
Задатчик 13 формирует сигнал . На выходе сумматора 12, первый отрицательный и второй положительный входы которого имеют единичные коэффициенты усиления, формируется сигнал . Модуль этой разности определяет скорость изменения частоты задающего сигнала. При этом если  то есть текущее значение амплитуды ε превышает допустимое значение, то частота задающего сигнала будет уменьшаться до тех пор, пока реальное значение амплитуды ε не снизится до допустимого значения (пока не выполнится условие ). И наоборот, если  то есть амплитуда ε меньше допустимой, то частота задающего сигнала будет увеличиваться до тех пор, пока не выполнится условие  На выходе интегратора 14, имеющего коэффициент усиления k, формируется сигнал Δω*, изменяющий базовую частоту задающего сигнала в зависимости от знака сигнала  При этом коэффициент k определяет скорость изменения частоты задающего сигнала. Он выбирается в зависимости от диапазонов возможного изменения этой частоты и параметров объекта управления.
Чтобы обеспечить плавное изменение Δω и тем самым частоты задающего сигнала, сигнал Δω* предварительно пропускается через фильтр низких частот второго порядка 15. Задатчик 17 формирует сигнал ω*. На выходе сумматора 16, имеющего положительные входы с единичными коэффициентами усиления, формируется сигнал (ω*+Δω) скорректированной частоты задающего сигнала х*.
На выходе интегратора 18, имеющего единичный коэффициент усиления, формируется сигнал (ω*+Δω)t, а на выходе функционального преобразователя 19 - гармонический сигнал sin(ω*+Δω)t. Задатчик 21 формирует сигнал А*. В результате на выходе блока 20 формируется гармонический задающий сигнал х* с желаемой амплитудой А* и максимально допустимой (для текущих параметров нагрузки электропривода и величины А*) частотой.
Таким образом, за счет формирования дополнительного контура удается обеспечивать непрерывную подстройку частоты задающего гармонического сигнала х* без непосредственного измерения изменяющихся параметров объекта управления. Эта подстройка без ухудшения динамической точности управления позволяет повышать скорость выполнения технологических операций в наиболее благоприятных режимах и условиях работы рассматриваемого электропривода.