Научная статья на тему 'Цифровой многофункциональныйконтроллер электропривода цмкп-в2'

Цифровой многофункциональныйконтроллер электропривода цмкп-в2 Текст научной статьи по специальности «Автоматика. Вычислительная техника»

783
85
Поделиться
Ключевые слова
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ / ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ / КОНТРОЛЛЕРЫ / ПРИВОДЫ / ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ / ДАТЧИКИ / ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ

Аннотация научной статьи по автоматике и вычислительной технике, автор научной работы — Киор С. В., Романов А. М.

В статье описывается практическая реализация многофункционального цифрового контроллера электропривода, способного работать со всеми основными типами датчиков и двигателей применяемых в робототехнике и мехатронике, а также реализовывать современные алгоритмы управления, в том числе на интеллектуальных технологиях, таких как ассоциативная память, искусственные нейронные сети, нечеткая логика.

Digital versatile motor controller DVMC-

The article tells about the practical implementation of digital multi-functional AC/DC motor drive controller, that is compatible with all main types of motors and sensors used in robotics and also provides modern control algorithms including artificial neural networks, associative memory and fuzzy-logic.

Текст научной работы на тему «Цифровой многофункциональныйконтроллер электропривода цмкп-в2»

позиционных систем, могут успешно применяться в таких системах на базе ком.

выполняется путем расчета пробных шагов и последующих переводов системы в

,

заданием и реальным положением объекта за минимальное время при строгом выполнении технологических требований и ограничений координат. Непрерывно вычисляется рассогласование по положению между эталонной и действительной тра-.

управления приводом с ограничениями рывка, ускорения и скорости, по аналогии с . -гласования и путь торможения с нее до останова. Найденная максимальная скорость отработки рассогласования алгебраически суммируется с заданной скоро, -нимальное время без перерегулирования. Если сумма скоростей окажется больше допустимого значения для данной системы, то ее следует ограничить. Движение привода на суммарной скорости продолжается до тех пор, пока отклонение эталонной от действительной траектории движения не станет меньше ранее определенного пути торможения. Далее изменение скорости привода выполняется с учетом ограничения на рывок и ускорение как в позиционной системе на участке торможения в функции рассогласования. Задание по скорости на привод на участке торможения определяется суммой двух составляющих от эталонной траектории движения и от алгоритма изменения скорости отработки рассогласования в функции уменьшающейся ошибки по положению.

Заключение

Методика последовательного многошагового синтеза позволяет реализовывать предельные динамические возможности и автоматизировать сложные произ-, -мы, обеспечивать операторов в реальном масштабе времени «советами» по управлению высокоскоростными подвижными объектам.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Беллман Р. Динамическое программирование. - М.: Изд-во “Иностранная лит-ра”, 1960. - 400 с.

2. Мясн иков В А., Игнатьев М.Б., Покровский А.М. Программное упр авление оборудованием. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд., 1974. - 243 с.

3. Дорри М.Х. Импульсное управление глубиной погружения подводного аппарата // Сборник трудов XXXIV Всероссийской конференции «Управление движением морскими судами и специальными аппаратами». - М.: ИПУ РАН, 2007. - С. 20-25.

УДК: 519.6

С.В. Киор, А.М. Романов

ЦИФРОВОЙ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ КОНТРОЛЛЕР ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЦМКП-В2

Современное развитие микроэлектроники, в том числе наличие высокопроизводительных вычислителей и быстродействующих цифро-анадоговых (^АП) и аналогово-цифровых преобразователей (АЦП), позволяет построить высокопроиз-

водительный многофункциональный контроллер электропривода для нужд робототехники и мехатроники. К такому контроллеру предъявляются следующие требования:

♦ Работа со всеми основным и типами электродвигателей, применяемыми в робототехнике, а именно с двигателями постоянного тока, асинхронными, синхронными и шаговыми.

♦ Обработка нескольких датчиков разных типов (тока, момента, скорости, положения) имеющих различные как цифровые, так и аналоговые ин-

.

♦ Использование современ ных алгоритмов управления, в том числе на интеллектуальных технологиях, таких как ассоциативная память, искусственные нейронные сети, нечеткая логика [1].

.

♦ Наличие высокоскоростных интерфейсов, обеспечивающих взаимодействие между несколькими контроллерами.

♦ Наличие стандартизированных интерфейсов, обеспечивающих быструю интеграцию как в новые разработки, так и в уже существующие системы.

для отладки программного обеспечения и диагностики контроллера.

В рамках поставленной задачи на кафедре «Проблемы управления» МИРЭА был разработан цифровой многофункциональный контроллер привода (ЦМКП-В2).

Архитектура контроллера представлена на рис. 1. Ядром ЦМКП-В2 является программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) Spartan 3E [2] с частотой тактового генератора 50 МГ ц.

Программно-аппаратное обеспечение (ПАО) ПЛИС основано на модульной архитектуре с открытой шиной Wishbone. Модульная структура подразумевает наличие отдельных стандартных модулей, которые автоматизировано компонуются в требуемую конфигурацию. Структурная схема программно-аппаратного обес-

. 2.

Выбранная архитектура позволяет реализовать многоконтурную систему

( ),

процессорах или с использованием специализированных вычислителей, что увеличивает производительность и устойчивость к сбоям. Так, например, формирование управляющих сигналов отдельными двигателями становится аппаратнонезависимым. Межпроцессорное взаимодействие может быть реализовано: при помощи общей шины, с использованием общих массивов памяти либо выделенных портов обмена данными. В качестве основного процессора общего назначения для системы реализован модуль процессора C16. Это стековый 16разрядный процессор адаптированный для работы с кодом, написанным на языке C.

реализации функций управления процессоров цифровую обработку сигналов ( ). -дификация процессора DSPuva16. По сравнению с оригинальной версией этого процессора была добавлена возможность проведения 24-битных вычислений с фиксированной точкой и системой прерываний.

Рис. 1. Архитектура контроллера ЦМКП-В2

Для увеличения производительности контроллера в контуре цифровой САУ использованы отдельные модули реализующие быстрое вычисление тригонометрических функций по алгоритму СОКШС.

Для решения задач управления на базе разработанного контроллера могут быть аппаратно реализованы технологии нейронных сетей [3] и ассоциативной

.

помощи специализированной САПР.

К инструма ггалы іон ПЭВМ

Рис. 2 Структурная схема ПОА ПЛИС ЦМКП-В2

,

ЦМКП-В2 реализован технологический интерфейс. Он позволяет оператору подключиться к контроллеру с помощью инструментальной ПЭВМ по интерфейсу USB. Технологический интерфейс обеспечивает доступ ко всем модулям системы по общей шине Wishbone, а также к микропроцессорам, модулям нейронной сети и ассоциативной памяти при помощи выделенного порта.

Подключение цифровых датчиков осуществляется при помощи дискретных входов/выходов. Плата ЦМКП-В2 имеет 24 дискретных входа 14 дескретных выхо-, .

ПЛИС каждый датчик обрабатывается отдельным модулем, который подключает к остальной системе по общей шине данных. На данный момент реализованы модули обработки инкрементных квадратурных датчиков, датчиков с интерфейсами SSI, SPI, I2C, а также датчиков имеющих на выходе ШИМ- и ЧИМ-сигналы.

Для подключения аналоговых датчиков в контроллере реализован 8-каншьный 12-р^рядный АЦП с частотой дискретизации 250 кГц, который с

SPI.

случае, если для работы датчика требуется формирование задающего аналогового сигнала (например, датчики СКВТ), его можно сформировать при помощи одного из 2-х 10-р^рядных ЦАП, которые также управляются по интерфейсу 8Р1.

Многофункциональный контроллер электропривода ЦМКП-В2 позволяет работать с двигателями постоянного тока, асинхронными, синхронными и шаговыми .

Типовые схемы подключения двигателей к контроллеру представлены на рис. 3. Совокупность интерфейсов системы подразумевает два основных подхода к их управлению:

♦ непосредственное формирование напряжения на обмотках двигателя при

- - , -

ля мощности;

♦ управление частотным преобразователем (контроллером шагового двигателя) при помощи аналогового токового интерфейса, сигналами дискретных выходов или цифрового интерфейса стандарта Я8422/485.

г.

УМ —/■—► дпт

Д

Д/А

3 3, Синхр./

■У—► УМ асинхр.

д Д двигатель

ЦМКП-В2

ш

|г$-485

■+ ►

ЦМКП-В2 -7^ ПЧ

Д

А

Синхр./ асинхр двигатель

А — аналоговый сигнал Д — дискретный сигнал ЩА — дискретны с и аналоговые сигналы ПЧ — преобразователь частоты

Рис. 3. Типовые схемы подключения двигателей к контроллеру>

В первом случае для подключения к усилителю мощности (УМ) могут быть использованы 10 дискретных выходов типа открытый коллектор. Это позволяет при помощи одного контроллера управлять одним двигателем переменного тока или двумя двигателями постоянного тока. Для использования в ПАО ПЛИС разра-

ботаны модули управления высокомоментными бесколлекторными двигателями постоянного тока и векторного управления двигателями переменного тока.

Для управления двигателями переменного тока при помощи частотного преобразователя предпочтительнее использовать токовый интерфейс, так как он имеет более высокие быстродействие и помехозащищенность. Для формирования аналогового сигнала необходимо воспользоваться одним из 2-х расположенных на плате 10. -мощи дискретного интерфейса RS422/485. Для считывания и записи специальных флагов частотного преобразователя (р^решение/запрет движения, наличие перегрузки по току) могут быть использованы дискретные входы/выходы ЦМКП-В2.

Для управления тормозными муфтами и электромагнитными пускателями на плате контроллера реализованы 6 сильноточных дискретных выходов на оптоси-.

Разработанный цифровой многофункциональный контроллер электропривода имеет 8 высокоскоростных интерфейсов стандарта RS422/485 со скоростью передачи данных до 16 Мбит/c. Это позволяет реализовать оперативный обмен командной и телеметрической информацией между ЦМКП-В2 и системой управления верхнего уровня и между контроллерами в режиме группового электропривода.

Использование интерфейсов RS422/485 позволяет не только просто интегрировать контроллер с остальными частями системы управления при новых разра-, .

Функционал ЦМКП-В2 можно расширить дополнительными интерфейсами, так как в конструктиве предусмотрен разъем подключения и места для закрепления .

входят платы интерфейсов: RS232, PS/2, USB1.1, VGA. Ведется разработка модуля интерфейса FastEthemet. Также существует мезонин высокопроизводительного контроллера ARM9 Cortex 3 с установленным Ethernet и CAN интерфейсами на .

Разработанный контроллер прошел комплексные испытания в составе системы управления промышленных транспортного робота «Электроника НЦТМ25м» и манипуляционного робота «РМ-01» [4]. Испытания показали высокое качество , .

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Интеллектуальные системы автоматического управления / Под ред. И.М. Макарова, В.М. Лохина. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001.

2. Зотов В.Ю. Проектирование цифровых устройств на основе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР WebPack ISE. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003.

3. Еремин Д. М., Киор С. В. Методы аппаратной реализации цифровых нейронных сетей на

. / XII -

учно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматизации и обработки информации», Алушта, 2003.

4. Черноусько Ф.Л., Болотник КН., Градецкий ВТ. Манипуляционные роботы. - М.: Наука, 1989.