ДВУХКООРДИНАТНЫЙ МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЛАТФОРМЫ

Двухкоординатный микропроцессорный электропривод платформы.
Полезная модель относится к робототехнике и может использоваться, например, в двухкоординатных следящих электроприводах систем технического зрения.
Известно микропроцессорное устройство управления приводом (Патент RU 2058038, МПК G05B 19/18). Устройство содержит задатчик команд, управляющий микропроцессор со встроенным широтно-импульсным формирователем, блок питания (мостовой усилитель мощности) электродвигателя, электродвигатель постоянного тока и оптоэлектронный датчик перемещения с блоком определения направления вращения двигателя. Недостатком устройства являются ограниченные функциональные возможности электропривода, определяемые выбором 4-х разрядной микро-ЭВМ типа К1816.
Известно также двухкоординатное микропроцессорное устройство широтно-импульсного управления электроприводом регистрирующего устройства (Тех. описание «Электрокардиограф ЦН 3052», ПО "Краснодарский ЗИП", 1991 г.), содержащее микропроцессор, на вход которого поступает информация о заданной точке перемещений, а также управляющие сигналы со схемы выделения направляющих вращения исполнительного двигателя, со схемы формирования сигнала прерывания и со схемы защиты от реверса, на входы которых поступают сигналы от оптоэлектрического датчика перемещения. Выходной сигнал микропроцессора воздействует на таймер, формирующий импульс заданной длительности, который вместе с сигналом микропроцессора, задающем направление исполнительному электродвигателю, поступает на схему управления двигателем, ось которого жестко связана с осью датчика перемещения. Недостатком известного устройства является невысокое быстродействие и недостаточная точность измерения углового положения исполнительной оси привода.
Известен цифровой микропроцессорный электропривод (патент RU 2404449, МПК G05B 11/26, G05B 11/36, H02P 7/29), содержащий задающее устройство, вычислитель команд управления, широтно-импульсный модулятор, выход которого соединен с усилителем мощности и через датчик тока с исполнительным двигателем привода объекта управления, на исполнительной оси которого жестко закреплен датчик положения с преобразователем угол-код, выход которого соединен с регулятором положения. Выход датчика тока соединен с регулятором тока вычислителя команд. Вычислитель команд содержит последовательно соединенные регулятор положения, регулятор скорости и регулятор тока.
Однако данный электропривод не является двухкоординатным и не предназначен для работы с платформой, установленной в двухосном кардановом подвесе.
Известен двухкоординатный электропривод платформы фотоследящей системы, установленной в двухосном кардановом подвесе, описанный в SU 140226 A1, G02B 23/00, 01.01.1961. Данный электропривод выбран в качестве прототипа. Недостатком известного двухкоординатного электропривода платформы является необходимость периодической коррекции системы и низкое быстродействие.
Целью полезной модели является повышение точности и быстродействия электропривода без периодической коррекции элементов системы.
Указанная цель достигается за счет того, что двухкоординатный микропроцессорный электропривод платформы, установленной в двухосном кардановом подвесе, содержащий последовательно соединенные задающее устройство и вычислитель команд управления, к выходам которого подключены исполнительные приводы с электродвигателями соответственно внутренней и наружной рамок карданова подвеса, датчик координат, выполненный с возможностью установки на упомянутую платформу и выходы которого соединены с соответствующим входом вычислителя команд управления, при этом электродвигатель первого исполнительного привода расположен на внутренней рамке карданова подвеса, а электродвигатель второго исполнительного привода расположен на оси наружной рамки карданова подвеса, дополнительно снабжен двухосным датчиком угловой скорости, выполненным с возможностью установки на упомянутой платформе, каждый из исполнительных приводов выполнен в виде последовательно соединенных широтно-импульсного модулятора, усилителя мощности, датчика тока и моментного электродвигателя, на оси которого установлен датчик углового положения, упомянутый датчик координат выполнен в виде телевизионного датчика, вычислитель команд выполнен в виде микропроцессора и содержит встроенные упомянутые широтно-импульсные модуляторы, первый, второй, третий и четвертый аналого-цифровые преобразователи, первый, второй и третий информационные каналы UART, при этом выход задающего устройства соединен со входом вычислителя команд управления по первому информационному каналу UART, выходы телевизионного датчика координат и двухосного датчика угловой скорости соединены со входами вычислителя команд управления соответственно по второму и третьему информационным каналам UART, выходы датчиков тока первого и второго исполнительных приводов соединены со входами первого и четвертого аналого-цифрового преобразователя соответственно, а выходы датчиков углового положения первого и второго исполнительных приводов соединены со входами второго и третьего аналого-цифрового преобразователя соответственно.
На фиг. 1 приведена структурная схема двухкоординатного микропроцессорного электропривода платформы, где:
1 - исполнительная платформа, установленная на внутренней рамке в двухосном кардановом подвесе;
2 - задающее устройство, например, пульт оператора или внешний управляющий компьютер;
3 - вычислитель команд управления, выполненный в виде микроконтроллера, например, на 32-разрядном микроконтроллере семейства ARM Cortex М3;
4…7 - первый, второй, третий и четвертый аналого-цифровые преобразователи (АЦП), например, встроенные АЦП микроконтроллера 3;
8 - цифровой формирователь команд, например, аппаратно и программно реализованный на микроконтроллере вычислителя команд управления 3;
9 и 10 - первый и второй ШИМ, например, встроенные аппаратные ШИМ-формирователи микроконтроллера 3;
11 и 12 - первый и второй полномостовые усилители мощности, например, на силовом драйвере IDX609 фирмы Clare или на четырех MOSFET-транзисторах с драйвером силовых ключей;
13 и 14 - первый и второй датчики обратной связи по току, например, резистивные с масштабирующим усилителем на операционном усилителе Rail-to-Rail;
15 - первый исполнительный электродвигатель, например, неполнооборотный мо-ментный электродвигатель постоянного тока серии ДБМ;
16 - второй исполнительный электродвигатель, например, неполнооборотный момент-ный электродвигатель постоянного тока серии ДБМ;
17 - первый датчик углового положения, например, магниторезистивный двухотсчетный датчик угла типа DS-25 фирмы Netzer;
18 - второй датчик углового положения, например, магниторезистивный двухотсчетный датчик угла типа DS-25 фирмы Netzer;
19 - телевизионный датчик положения, например, на ИК-матрице формата 640×480 пикселей;
20 - двухосный датчик угловых скоростей, например, МЭМС гироскоп типа STIM210;
21 - наружная рамка карданова подвеса; Устройство работает следующим образом.
С задающего устройства 2 поступает сигнал для задания углового положения исполнительной платформы 1, расположенной на внутренней рамке двухосного карданова подвеса, через последовательный канал UART на первый информационный вход цифрового формирователя команд 8, аппаратно и программно реализованный на управляющем микроконтроллере вычислителя команд управления 3. Сигналы с датчика углового положения 17 исполнительной оси внутренней рамки 1 и датчика углового положения 18 наружной рамки 21 поступают на входы второго 5 и третьего 6 встроенных АЦП вычислителя команд управления 3. Цифровой формирователь команд 8, программно реализующий алгоритм ПИД-регулятора, сравнивает текущие значения углового положения исполнительных осей с заданными значениями и вырабатывает сигналы управления, которые через последовательно соединенные встроенные первый 9 и второй 10 ШИМ, первый 11 и второй 12 мостовые усилители мощности и первый 13 и второй 14 датчики тока поступают на исполнительные моментные электродвигатели 15 на исполнительной оси внутренней рамки и 16 на исполнительной оси наружной рамки карданова подвеса.
Для компенсации неравномерности моментных характеристик электродвигателей 15 и 16 и повышения быстродействия электропривода в контур управления введена обратная связь по току с датчиков тока 13 и 14, сигналы с выхода которых поступают на входы первого 4 и четвертого 7 встроенных АЦП. Алгоритм токового регулятора, например, пропорционально-интегрального типа, реализуется программным методом на управляющем микроконтроллере вычислителя команд управления 3.
После отработки двухкоординатным микропроцессорным электроприводом заданного положения платформы внутренней рамки 1 включается контур стабилизации поля зрения телевизионного датчика положения 19 объекта наблюдения по сигналам двухосного датчика угловой скорости 20, установленного на платформе внутренней рамки. Телевизионный датчик положения 19, установленный на платформе внутренней рамки 1, осуществляет обнаружение объекта наблюдения и вычисляет текущие координаты геометрического центра объекта наблюдения, которые по цифровому каналу поступают на второй информационный вход UART вычислителя команд управления 3. При поступлении на вычислитель значения текущих координат объекта наблюдения с телевизионного датчика положения 19 дальнейшее управление приводом осуществляется автоматически по сигналам телевизионного датчика 19.
Предлагаемый двухкоординатный микропроцессорный электропривод платформы обеспечивает сопровождение объекта наблюдения по двум координатам при одновременном повышении точности определения положения объекта и не требует периодической коррекции системы.
Положительный эффект подтвержден изготовлением и испытанием опытных образцов двухкоординатного микропроцессорного электропривода платформы.