Самонастраивающийся электропривод робота

(51)5 В 25 Л 13 И ОБР Т ИСАНИ ВИДЕТЕЛ ЪСТВУ К АВТОРСК 54) САМОН РОПРИ ВОД (57) Использо мышленных бретения: п самонастраи ной нагрузко оптимизации(21) 48 (22) 10 46) 07 (71) Да ститут (72) В, (65) Ав М 161 70139/0810.9011,92. Бюл, М. 41льневосточный полиим. В,В.КуйбышеваФ.Филаретовтарское свиде8643, кл. В 25 АСТРАИВАЮ РОБОТА вание; в эле манипулятор олучение в вающейся с й за счет пр автоматиче КТ троприводах ов, Сущность ысокой точн истемы с раз менения мето ких систем. 2 оническии ин ост лич до ил тельство ССС ,3 13/00, 1989,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР Изобретение относится к автоматическому управлению и может быть использовано в электроприводах манипуляторов и других систем, у которых инерционная нагрузка изменяется в широких пределах.Известно устройство для управления приводом робота, содержащее блок умножения, последовательно соединенные усилитель, электродвигатель, датчик тока, первый сумматор, причем второй выход электродвигателя соединен с исполнительным механизмом, датчиком положения и датчиком скорости, выходы датчика положения и датчика скорости соединены соответственно с вторыми входами второго сумматора и блока деления, второй вход первого сумматора соединен с выходом измерителя внешнего момента, а также третий сумматор, интегратор, апериодическое звено и инерционное дифференцирующее звено, причем выход второго сумматора соединен с входами апериодического звена и инерционного дифференцирующего звена, выход которого соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого соединен с выходом блока деления, первый вход которого соединен с выходом интегратора, вход которого соединен с выходом первого сумматора, выход блока умножения - с первым входом третьего сумматора, второй вход которого соединен с выходом апериодического звена, а выход - с входом усилителя, первый вход второго сумматора соединен с входом устройства (авт.св. СССР Р 1142810, 1985),Недостатком устройства является низкая точность при отработке программных входных отверстий, так как в нем отсутствуют специальные регуляторы, повышающие точностные характеристики устройства, и не учитываются эффекты взаимовлияния между степенями подвижности.Известно также устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные инерционные дифференцирующее звено, первый блок умножения и первый сумматор, второй вход которого соединен с выходом апериодического звена, вход которого подключен к входу инерционного дифференцирующего звена, причем второй вход первого блока умножения соединен с выходом блока деле 1773714ния, последовательно соединенные первый усилитель и двигатель, второй блок умножения и вычислительный блок. причем первый вход второго блока умножения соединен с выходом первого сумматора, выход - с входом первого усилителя, а второй вход - с первым выходом вычислительного блока, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым и вторыми входами блока деления, а входы вычислительного блока являются входами устройства. Вычислительный блок выполнен в виде последовательно соединенных второго сумматора, первого квадратора, третьего блока умножения. третьего сумматора, второй вход которого соединен с первым входом вычислительного блока, а третий - с выходом второго квадратора, вход которого соединен с первым входом четвертого сумматора и выходом пятого сумматора, первый вход которого соединен с первым входом второго сумматора и вторым входом вычислительного блока,.а второй - с вторым входом второго сумматора и третьим входом вычислительного блока, четвертый вход которого соединен с третьим входом второго сумматор, пятый - с первым входом шестого сумматора, а шестой - с вторым входом третьего блока умножения и первым входом четвертого блока умножения, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход - с вторым входом четвертого сумматора, выход которого соединен с первым входом пятого блока умножения, второй вход которого соединен с седьмым входом вычислительного блока, а выход - с вторым входом шестого сумматора, выход которого соединен с входом второго усилителя, при этом выходы третьего сумматора, шестого сумматора и второго усилителя соответственно являются третьим, вторым и первым выходами вычислительного блока (авт,св, СССР И. 1352450, 1987).Недостатком данного устройства является низкая точность, обусловленная отсутствием стационарной коррекции.Известен также самонастраивающийся электропривод робота, содержащий первый блок деления, последовательно соединенные первый сумматор, блок коррекции, первый блок умножения., второй сумматор, первый усилитель и электродвигатель, кинематически связанный с датчиком скорости непосредственно и через редуктор с датчиком положения, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, причем второй выход блока коррекции соединен с вторым входом второго сумматора, а выход электродвигателя через последовательно подключенные датчик тока и третий сумма 5 10 20 25 30 35 40 45 50 55 тора соединен с входом интегратора. Кроме того электропривод содержит первый и второй выпрямители. первый релейный элемент, последовательно соединенные второй усилитель, четвертый сумматор, пятый сумматор, второй блок деления и шестой сумматор и последовательно подключенные второй релейный элемент и блок выборки и запоминания, выход которого соединен с вторым входом первого блока умножения и второго блока деления, а второй вход - с выходом первого блока деления, подключенного первым входом к выходу первого выпрямителя, а вторым входом к выходу второго выпрямителя. вход которого соединен с выходом интегратора, причем второй вход четвертого сумматора подключен к выходу первого релейного элемента, а выход - к второму входу третьего сумматора и к второму входу шестого сумматора, соединенного выходом с вторым входом первого сумматора, третий вход которого подключен к выходу задатчика сигнала, а четвертый вход - к входу первого и второго релейных элементов, первого выпрямителя, второго усилителя и выходу датчика скорости, а второй вход пятого сумматора соединен с выходом датчика тока (авт.св, М 1618643, 1989),Данное устройство по своей технической сущности является наиболее близким к изобретению,Его недостатком является низкая точность при использовании в многостепенных манипуляторах, Последнее объясняется тем, что в прототипе в процессе формирования самонастраивающейся коррекции не учитывались, считаясь малыми, эффекты взаимовлияния между степенями подвижности, В результате возникаетзадача разра-. ботки высокоточных приводов робота и при существенных взаимовлияниях между степенями подвижности многозвенных манипуляторов.Целью изобретения является повышение точности электропривода робота при наличии значительных взаимовлияний между всеми степенями подвижности.Цель достигается тем, что в самонастраивающийся электропривод робота, содержащий последовательно соединенные блок коррекции, первый блок умножения и первый сумматор, второй вход которого подключен к второму выходу блока коррекции, последовательно соединенные первый усилитель,электродвигатель, с выходным валом которого механически связан первый датчик скорости и через редуктор первый датчик положения, выход которого подключен к второму входу второго сумматора, 1773714первый и третий входы которого соответственно соединены с первым задатчиком сигнала и выходом первого датчика скорости. а выход - с входом блока коррекции, последовательно соединенные релейный элемент с нулевой нейтральной точкой, вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, третий сумматор, в горой и третий входы которого соответственно соединены с выходом датчика якорного тока электродвигателя и первого датчика скорости, и первый блок деления, вводятся второй блок умножения, первый вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход - с входом первого усилителя, последовательно соединенные второй датчик положения, четвертый сумматора, второй вход которого подключен к выходу второго задатчика сигнала, пятый сумматор, второй вход которого соединен с выходом третьего задатчика сигнала, первый квадратор, третий блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика массы захваченного груза, шестой сумматор, второй вход которого подключен к выходу четвертого задатчика сигнала, а третий через второй квадратор - к выходу четвертого сумматора, и второй блок деления, выход которого соединен с вторым входом первого блока умножения, последовательно соединенные четвертый блок умножения, первый и второй входы которого соответственно подключены к выходам датчика массы захваченного груза и пятого сумматора, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу четвертого сумматора, пятый блок умножения, к второму входу которого подключен второй датчик скорости, восьмой сумматор, второй вход которого соединен с выходом пятого задатчика сигнала, и второй усилитель, выход которого подключен к второму входу второго блока умножения, а также шестой блок умножения, первый и второй входы которого соответственно подключены к выходам первого датчика скорости и пятого блока умножения, а выход - к четвертому входу третьего сумматора, причем второй вход первого блока деления соединен с выходом шестого сумматора. его выход - с четвертым входом второго сумматора, а второй вход второго блока деления - с выходом восьмого сумматора.Не известны устройства, обеспечивающие высокие точностные показатели злектроприводов роботов в сочетании со свойствами инвариантности к эффектам взаимовлияния между степенями подвижности, В результате можно считать, что предлагаемое устройство вполне отвечает критерию "новизна". Кроме того, у заявляе 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 мого устройства не обнаружено свойств, совпадающих со свойствами известных решений. Исходя из этого можно признать, что данное решение соответствует критерию "существенные отличия".На фиг,1 представлена функциональная схема предлагаемого самонастраивающегося электропривода робота. Он содержит последовательно соединенные блок 1 коррекции, первый блок 2 умножения и первый сумматор 3, второй вход которого подключен к второму выходу блока 1 коррекции, последовательно соединенные первый усилитель 4, электродвигатель 5, с выходным валом которого механически связан первый датчик 6 скорости и через редуктор 7 первый датчик 8 положения, выход которого подключен к второму входу второго сумматора 9, первый и третий входы которого соответственно соединены с первым задатчиком 10 сигнала и выходом первого датчика 6 скорости, а выход - с входом блока 1 коррекции, последовательно соединенные релейный элемент 11 с нулевой нейтральной точкой, вход которого подключен к выходу первого датчика 6 скорости, третий сумматор 12, второй и третий входы которого соответственно соединены с выходом датчика 13 якорного тока электродвигателя 5 и первого датчика 6 скорости, и первый блок 14 деления; Кроме того, электропривод содержит второй блок 15 умножения, первый вход которого соединен с выходом первого сумматора 3, а выход - с входом первого усилителя 4, последовательно соединенные второй датчик 16 положения, четвертый сумматор 17, второй вход которого подключен к выходу второго задатчика 18 сигнала, пятый сумматор 19, второй вход которого соединен с выходом третьего задэтчика 20 сигнала, первый квадратор 21, третий блок 22 умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика 23 массы захваченного груза, шестой сумматор 24, второй вход которого подключен к выходу четвертого эадатчика 25 сигнала, а третий через второй квэдрэтор 26 - к выходу четвертого сумматора 17, и второй блок 27 деления, выход которого соединен с вторым входом первого блока 2 умножения., последовательно соединенные четвертый блок 28 умножения, первый и второй входы которого соответственно подключены к выходам датчика 23 массы захваченного груза и пятого сумматора 19, седьмой сумматор 29, второй вход, которого подключен к выходу четвертого сумматора 17, пятый блок 30 умножения, к второму входу которого подключен второй датчик 31 скорости, восьмой сумматор 32, второй вход которого соединен свыходом пятого задатчика 33 сигнала, и второй усилитель 34, выход которого подключен к второму входу второго блока 15умножения, а также шестой блок 35 умножения, первый и второй входы которогосоответственно подключены к выходампервого датчика 6 скорости и пятого блока30 умножения, а выход- к четвертому входутретьего сумматора 12, причем второй входпервого блока 14 деления соединен с выходом шестого сумматора 24, а его выход - счетвертым входом второго сумматора 9, авторой вход второго блока 27 деления - свыходом восьмого сумматора 32. 38- обьектуправления.На фиг.2 представлена кинематическаясхема исполнительного органа робота,На фигурах введены следующие обозначения:цж - сигнал входного воздействия (вырабатывается задатчиком 10 сигнала);цо.с. - сигнал обратной связи;ц 1, ц 2, Цз - соответствующие обобщенные координаты исполнительного органаробота;цз - скорость изменения третьей обобщенной координаты;д - ошибка привода;гп 1, а 2, л 1 з, ег - соответственно массыпервого, второго, третьего звеньев исполнительного органа и захваченного груза;1 з - расстояние от оси вращения третьего звена до его центра масс при цз = 0;1 з - расстояние ат центра масс третьегозвена да средней точки схвата;а 1 - скорость вращения ротора двигателя;О, О - соответственно усиливаемыйсигнал и сигнал управления двигателем;3 - ток двигателя 5.Электрапривод работает следующимобразом,Если на вход второго сумматора 9 с выхода задатчика 10 подать сигнал цж = цо,.,то на выходе сумматора появляется отличительный от нуля сигнал д = цж - цос, которыйкорректируется с помощыа блоков 1, 2, 3, 15и усиливается в усилителе 4 мощности. Усиленный сигнал. поступает на вхоц электродвигателя 5, приводя его вал вовращательное движение с направлением,скоростью и ускорением, зависящим от цжи д . Второй, третий и четвертый отрицательные входы второго сумматора 9 (соответственно со стороны датчика 8, датчик 6 иблока 14 деления) имеют коэффициентыусиления 01, 02 и Оз соответственно. Значения этих коэффициентов О= 1, 2, 3)рассчитывают по методу аналитического конструирования оптимальных регуляторов. При этом при рассчитанных коэффициентах О = СОМЯТ для стационарнойсистемы с номинальными параметрами5 обеспечивается минимизация квадратичного критерия качества, т.е, обеспечиваетсямаксимальная точность.При этом сигнал д определяется какО= 01(аж -Ц 1)+ 02(аж - а 1 )+ Оз(ж - 1),10 где ажаж (1) и 1 ж(1) - соответственно желаемые функции изменения во времени положения выходного вала редуктора,скорости вала двигателя и его якорного тока, которые могут быть предварительно рас 15 считаны различными способал 1 и, Этифункции могут быть заданы как в аналитической, так и в численной табличнай 1) форме ирасполагаться на любом носителе информации. Практически реализация этих функций20 осуществляется блоком 10,Из выражения для д непосредственноследуетд = Цж - Цо,с. = (01 аж + 02 аж + Оз ж)- - (01 Ц 1+ 02 а 1 + Оз)Однако для манипуляционных и многихдругих промышленных систем условия стационарнасти (постоянства параметров) невыполняются. В результате синтезированный линейный регулятор с определенными30 заранее О = сопз 1(г=1,2, 3) уже не обеспечивает нестационарной системе оптимальную точность, так как параметры этойсистемы могут изменяться, в частности, дляроботов в зависимости от массы абьектаманипулирования, конфигурации и скорости движения исполнительного органа, Врезультате возникает двуединая задачапредварительной стабилизации динамических свойств и соответственно параметров40 привода с помощью самонастраивающихсярегуляторов, а затем проектирования стационарного оптимального регулятора для стационарной системы с застабилизированными спомощью самонастраивающейся коррекции параметрами.Рассмотрим работу коррекции, стабилизирующей параметры электрапривада.Как указывалось выше, изменение параметров нагрузки изменяет и ухудшает50 точность работы всего устройства, следовательно, устройство управления должнообеспечивать системе инвариантность к переменным параметрам нагрузки,Во втором аналоге было показано, что55 моментное воздействие на привод поворотапервой степени г 1 одвижности робота(см.фиг.2) в процессе движения исполнительного органа имеет видМв = Н(цэ)ц 1+ Ь(цз, ца) ц 1, 10(2)Ь(цз цз) =- 2(вз(э+ цз) + глг(з+ цз + зцз,1 з - момент инерции вертикального звена относительно его продольной оси;1 - момент инерции горизонтального звена относительно поперечной оси, проходящей через центр тяжести,Первый и второй положительные входы сумматоров 17 и 19 имеют единичные коэффициенты усиления. Поэтому на выходе сумматора 17 формируется сигнал з+ цз, а на выходе сумматора 19 - сигнал 1 з+ цз+Задатчик 25 вырабатывает постоянный сигнал р + з + 1 и, где 1 - момент инерции2ротора электродвигателя 5 и вращающихся частей редуктора 7, приведенных к валу электродвигателя; 1 р - передаточное отношение редуктора 7. Первый (со стороны блока 22 умножения) и второй (со стороны квадратора 26) положительные входы сумматора 24 имеют соответственно единичный и аз коэффициенты усиления. В результате на выходе сумматора 24 формируется сигнал Н + 1 р .2Первый (со стороны блока 28 умножения) и второй (со стороны сумматора 17) положительные входы сумматора 29 соответственно имеют коэффициенты усиления 2 и 2 щз, а датчик 31 измеряют скорость движения в третьей степени подвижности цз. В результате на выходе блока 30 умножение формируется сигнал Ь.На выходе задатчика 33 сигнала формируется сигнал 1 р (КмКу + Квй). В результате2на выходе сумматора 32, первый (со стороны блока 30 умножения) и второй (со стороны задатчика ЗЗ сигнала) положительные входы которого соответственно имеют В и единичный коэффициенты усиления, формируется сигнал В(1+ Кв 1 р ) + КмКя 1 р, а на2 2 выходе блока 27 деления - сигнал (Н + +) Щ 1+ К ) + К Кв 3,где Км - моментный коэффициент электродвигателя 5; Кэ - его коэффициент противо- ЭДС; Я - активное сопротивление якорной обмотки; Н = Н/1 р, т= 1/1 р, Кв - козффи 2,2,циент вязкости трения.Второй усилитель 34 имеет коэффициент усиления 1/(КмКу 1 р ). В результате на его выходе формируется сигнал В(Ь+ Кв)+ + Км Кд 3 /(Км Ко ),Апериодическое 36 и инерционное дифференцирующее 37 звенья соответственно имеют передаточные функции;Изб(Р) = 1/(ТР + 1), ЧЧЗ 7(Р) = ЙР/(ТР +1 н йгде Т = - постоянная времени;Км КР - символ дифференцирования;н - номинальное значение приведенно го к валу электродвигателя момента инерции.В результате на выходе сумматора 3,имеющего положительные входы с единичными коэффициентами усиления, формиру ется сигнал ТР на выходе блока 15 умножения - сигнал в ь+20 и -н++сн Ко) но показать, что передаточная ивода первой степени подвиж дината ц 1) робота (см,фиг.2) име Несложфункция и ности (коор 5 етвид где Ку - коэффициент усилениямощности- индуктивность якорной35 родвигателя 5.Поскольку для подавляющегства электродвигателейс Й, тзали результаты исследований,сс(Н+ )й, В результате переда40 кцию (4) можно представить в вк к.д р 1 ь+ к в+ к45 так как для большинства электвыполняется условие лителя 4 цепи электо большино, как покд+ К,) ссточную фун- иде привод(Ь+ К,) В+ ыражений (3) и (5) я функция прямой водимой сэмонасти, формирующей Таким обр видно, что пе цепи привода раивающейся сигнал 0, имзом, из в едаточна учетом в коррекци ет вид ц 1 рГ((7) Очевидно, что эта передаточная функция имеет постоянные параметры, а следовательно, привод с учетом вводимой коррокции обладает постоянными динамическими свойствами,Для реализации оптимальной коррекции, исходя из стандартного подхода, необходимо сформировать сигнал видад = сж - цо,ст.е., на второй, третий и четвертый входы второго сумматора 9 с соответствующими коэффициентами необходимо было бы подать сигналы соответственно с датчиков положения О, скорости б и тока 13, Однако это привело бы к нарушению условия неравномерности привода к переменным параметрам нагрузки, которое уже обеспечивалось ранее эа счет введения самонастраивающейся коррекции. Следует отметить, что нарушение было бы обусловлено только подачей сигнала на четвертый вход второго сумматора 9,Дело в том, что истинное значениепри текущем значении нагрузки с учетом Мв(1) не совпадает со значениемдля привода, описываемого передаточной функцией (5). Но оптимальная коррекция по методу АКОР синтезируется в предположении, что величинасоответствует приводу, описываемому передаточной функцией (5), С учетом этого синтезируется Оз. Используемая самонастраивающая коррекция (3) обеспечивает стабилизацию динамических свойств привода при различных значениях Мв только при соответствующей корректировке величины . Таким образом, формирование окончательного регулятора необходимо осуществлять с учетом указанного факта, Следует отметить, что и величина 1 ж должна принимать вид т.е, формироваться на основе информациифо величине а 1, которая без затруднений может быть получена из назначаемой заранее величины а 1 = с 1 рТаким образом, после решения задачи стабилизации параметров передаточной функции прямой цепи электропривода необходимо решить еще и задачу формирования такого сигнала управления (в частности по текущему значению тока электродвигателя), при котором указанная стабилизации не нарушается, да к тому же обеспечивается и существенное повышение точности работы привода,Г 1 ервый (со стороны релейного элемента 11) и четвертый (со стороны блока 35 25 30 35 45 50 55 умножения) отрицательные входы сумматора 12 имеют коэффициенты усиления 1 н/Км,1 его второй положительный вход(со стороны датчика 13 тока) - коэффициент усиления 1 лр, а третий отрицательный (со стороны датчика 6 скорости) - коэффициент усиления 1 н 1 р Кв/Км. Причем релейный элемент 11 вырабатывает сигналМт а О,Овых 11 - Мтр = - Мт при а 1 О,О аз=Огде Мт = сопзт - момент сухого трения движения.В результате на выходе сумматора 12 формируется сигнал, равный(Ки 1 р 1 (Ь + К 81 р )а 1 Мтр 1 рКма на выходе блока 14 деления - сигнал1.(К, - и+К. а - М,К,(Н+ 1)Этот сигнал соответствует искомому (требуемому) значению тока, необходимому для формирования оптимального по точности регулятора (в частности обратной связи по фазовой координате тока),Несложно убедиться, что полученный сигналсоответствует назначаемому желаемому значению 1 Ж (см, формулу (7.Таким образом, в рассматриваемом самонастраивающемся электроприводе удалось не только обеспечить стабилизацию его динамических свойств (а следовательно, и качественных показателей), но и обеспечить высокое качество (точность) управления за счет использования высококачественного регулятора, использующего информацию о текущих значениях всех фазовых координат привода.Ф ар мула изобретения Самонастраивающийся электропривод робота, содержащий последовательно соединенные блок коррекции, первый блок умножения и первый сумматор. второй вход которого подключен ко второму выходу блока коррекции, последовательно соединенные первый усилитель, электродвигатель. с выходным валом которого механически связан первый датчик скорости и через редуктор - первый датчик положения, выход котороо подключен к второму входу второго сумматора, первый и третий входы которого соответственно соединены с первым задатчиком сигнала и выходом первого датчика скорости, а выход - со входом блокакоррекции, последовательно соединенные релейный элемент с нулевой нейтральной точкой, вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, третий сумматор, второй и третий входы которого соответст венно соединены с выходом датчика якорного тока электродвигателя и первого датчика скорости, и первый блок деления, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, а него дополнительно 10 введены второй блок умножения, первый вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход - с входом первого усилителя последовательно соединенные второй датчик положения, четвертый сумматор, 15 второй вход которого подключен к выходу второго задатчика сигнала, пятый сумматор, второй вход которого соединен с выходом третьего задатчика сигнала, первый квадратор, третий блок умножения, второй вход 20 которого подключен к выходу датчика массы захваченного груза, шестой сумматор, второй вход которого подключен к выходу четвертого задатчика сигнала, а третий через второй квадратор - к выходу четвертого сум матора, и второй блок деления, выход которого соединен с вторым входом первого блока умножения, последовательно соединенные четвертый блок умножения, первый и второй входы которого соответственно подключены к выходам датчика массы захваченного груза и пятого сумматора, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу четвертого сумматора, пятый блок умножения, к второму входу которого подключен второй датчик скорости, восьмой сумматор, второй вход которого соединен с выходом пятого задатчика сигнала, и второй усилитель, выход которого подключен к второму входу второго блока умножения, а также шестой блок умножения, первый и второй входы которого соответственно подключены к выходам первого датчика скорости и пятого блока умножения, а выход - к четвертому входу третьего сумматора, причем второй вход первого блока деления соединен с выходом шестого сумматора, его выход - с четвертым входом второго сумматора, а второй вход второго блока деления - с выходом восьмого сумматора.1773714 Составитель В.ФиларетовТехред М.Моргентал Корректор С. Патрушева дакто каз 3897 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям пр 113035, Москва,Ж, Раушская наб., 4/5 СССР роизводствен но-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул. Гагарина, 101