Способ программного управления шаговым перемещением посредством шагового электродвигателя и устройство для его осуществления

1) 17 СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИ ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)(71) Кировский политехнический институт (72) Палетин В.И,; Хорошавин В.С.; Грудинин В,С. (56) Ивоботенко БА Козаченко В.ф. Шаговый привод в робототехнике, М, МЭИ, 1984, с 64-95.Авторское свидетельство СССР М 1403330, кп Н 02 Р 8/00, 1988.Авторское свидетельство СССР й 1612370, кп. Н 02 Р 8/00, 1989.(54) СПОСОБ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ ПОСРЕДСТВОМ ШАГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в робототехнических установках с программным управлением, включающих электропривод с шаговым двигателем. Цель изобретения - повышение устоичивости привода и минимизация его динамической ошибки при стохастических изменениях нагрузки за счет использования в качестве управляемого параметра угла рассогласования полей статора и ротора Шд. Способ заключается в подаче на вход привода управляющего воздействия, электрическом дроблении шага, сравнении заданного управляемого параметра с его текущим значением и изменении тока управляемого источника тока в соответствии с результатом сравнения, при этом на вход подают поисковое фаэовое воздействие, измеряют на выходе привода отклик на него, выделяют сигнал, содержащий информацию об угле рассогласования, преобразуют сигнал в цифровой код сравнивают его с программно - заданным значением, их разность преобразуют в сигнал коррекции, который добавляют к программно - заданному управляющему воздействию. 2 сп, фИзобретение относится к электротехнике и может бытьиспользовано в робототехнических установках с программнымуправлением, включающих электроприводсшаговыми двигателями, в частности, линейными одно- или двухкоординатными, и требующих повышенной устойчивостидвижения и малых динамических ошибок.Известны способы программного уп равления разомкнутым и замкнутым электроприводом с шаговым двигателем ШЭП сэлектрическим дроблением шага при питайии обмоток двигателя от источника тока.Разомкнутые структуры ШЭП сочетают в себе возможности глубокого частотного регулирования скорости с возможностямичислового задания пути и фиксацией конечных координат,Недостатком такого способа являетсяналичие значительной динамической ошибки, а также нарушение устойчивости движения при стохастических измененияхнагрузки, превышающей предельную по условиям физической реализации программного движения. Траекторные ошибки,возникающие при отработке приводом программно-заданной траектории, равны динамическим ошибкам и могутдостигать целогошага.Замкнутые структуры ШЭП, строящиеся на основе структур разомкнутого привода с добавлением цепей обратной связи,позволяют повысить устойчивость движения и стабилизировать величину динамической ошибки на определенномуровне,однако требуют оснащения привода специальными датчиками, конструкция которыхопределяется конструкцией двигателя и видом движения. Как правило, это датчики ускорения или положения. Следует заметить,что реализация замкнутых структур ШЭП сцелью достижения требуемого качествадвижения затруднена, особенно в приводахс двухкоординатными линейными двигателями на аэростатической подвеске подвижного элемента.Известны также способы экстремального управления, направленные на достижение экстремума некоторой величины -критерия оптимальности на основе оценкипроизводной этой величины. При этом навид объекта накладывается незначительное возмущение - модулирующий сигнал,изменяющийся во времени. Это возмущение выделяется на выходе объекта, перемножается с модулирующим сигналом,усредняется и используется для управленияобъектрм.Недостатком этих способов явЛяется то,что они сводятся к поиску и удержанию си стемы в экстремальной точке характеристики и не обеспечивают работу объекта вне окрестности экстремальной точки,Наиболее близким к предлагаемому яв ляется способ программного управленияприводом с шаговым двигателем, подключенным к управляемому инвертору тока, и электрическим дроблением шага, согласно которому осуществляют сравнение задан ного управляемого параметра с его текущимзначением и изменение тока инвертора в соответствии с результатом сравнения, В качестве управляемого параметра используют электромагнитную мощность, измеря ют напряжение и токи на разных обмоткахшагового двигателя, вычисляют мгновенное значение электромагнитной мощности, сравнивают ее с программно-заданным значением, их разность преобразуют в сигнал20коррекции, который добавляют к программно-заданному воздействию. 25 30 35 40 45 50 55 Известный способ программного управления ШЭП позволяет повысить устойчивость движения, минимизировать динамическую ошибку.Недостатком известного способа является нарушение устойчивости движения и значительное увеличение динамической ошибки при стохастических изменениях нагрузки, Это объясняется тем, что изменение тока инвертора в результате изменения параметров привода не поддается прогнозу при составлении программы коррекции, Кроме того, вычисленное значение электромагнитной мощности значительно отличает. ся от фактического из-за конечного быстродействия вычислительного устройства и трудности учета ряда составляющих величины электромагнитной мощности.Известны устройства для программного управления шаговым электроприводом, которые строятся с использованием электрического дробления шага в сочетании с управляемыми источниками тока, При этом задание программного движения сводится к программному заданию положения (фазы) результирующего вектора тока статора относительно неподвижных осей статора.Известно также устройство управления шаговым электродвигателем, в котором, в дополнение к фазовому каналу программного управления, введен канал задания программной уставки ускорения. Измеренное акселерометром значение ускорения сравнивается с программной уставкой, а сигнал рассогласования корректирует исходную программу движения, воздействуя через регулятор на фазовый канал программного управления.йподключенного к усилителю мощности, це К недостаткам известного устройства управления шаговым двигателем можно отнести следующее. Использование локальной обратной связи по ускорению позволяет снизить динамическую ошибку лишь до известных пределов, так как для качественной коррекции в широком диапазоне работы регулятора нелинейной системы управления требуется перестройка его коэффициентов в функции регулируемых параметров, что усложняет систему и снижает эффективность работы устройства.Наиболее близким к предлагаемому является устройство для управления шаговым электродвигателем, содержащее последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, цифровой сумматор, цифроаналоговый преобразователь усилитель мощности, соединенный с фазами шагового двигателя и акселерометр, выход которого подключен к входу избирательного усилителя, перемножитель подсоединен своими входами к выходам избирательного усилитбл и функционального генератора пробного сигнала, подключенного к входу аналого-цифрового преобразователя, вход интегратора соединен с выходом перемножителя, а выход - с входом опорного напряжения цифроаналогового преобразователя.К недостаткам известного устройства для управления шаговым электродвигателем можно отнести следующие. Известное устройство предназначено для поддержания момента (усилия) двигателя на оптимальном уровне, т.е, стабилизации значения ошибки на уровне гг/2. Таким образом, извел стное устройство не позволяет контролировать и компенсировать динамическую ошибку в переходных режимах работы привода, в частности, при стохастических изменениях нагрузки, Кроме того, устройство для управления шаговым электродвигателем дает значительную погрешность воспроизведения заданного движения при малых значениях момента (усилия) двигателя вследствие нелинейности угловой характеристики источника шагового перемещения.Цель изобретения - повышение устойчивости движения и минимизация динамической ошибки шагового перемещения при стохастических изменениях нагрузки за счет использования в качестве управляемого параметра угла рассогласования полей статора и ротора шагового электродвигателя динамической ошибки).Поставленная цель достигается тем,что в известном способе программного управления шаговым перемещением посредством шагового электродвигателя,включающем подачу управляющего воздействия, электрическое дробление шага, сравнение заданного управляемого параметра с его текущим значением и изменение тока 5 усилителя мощности в соответствии срезультатом сравнения, в качестве уп-.равляемого параметра используют угол рассогласования полей статора и ротора, подают на вход поисковое фазовое воздействие, из меряют отклик на поисковое воздействие, выделяют сигнал, содержащий информацию об угле рассогласования, преобразуют сигнал в цифровой код динамической ошибки, сравнивают его с программно-заданным значением, 1 Б ихразностьпреобразуютвсигналкоррекции,который добавляют к программно-заданному управляющему воздействию.Поставленная цель достигается такжетем, что в шаговый электропривод для реа лизации способа, содержащий последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь, усилитель мощности, соединенный с фазами шагового электродвигателя, акселерометр избирательный 25 усилитель, перемножитель, интегратор,аналого-цифровой преобразователь, первый сумматор и генератор пробного сигнала, дополнительно введены второй цифровой сумматор, постоянное запомиЗ 0 нающее устройство, вычислительныйблок, регулятор, преобразователь скорость/положение и фазовращатель, при этом выход интегратора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход 35 аналого-цифрового преобразователя соединен с входом постоянного запоминающего устройства, выход которого подсоединен к первому входу первого цифрового сумматора, второй вход которого подключен к выхо ду вычислительного блока, а выход соединенс регулятором, выход регулятора подключен к первому входу второго цифрового сумматора, второй и третий входы которого подсоединены к выходам преобразователя скорость/по ложение и генератора поисковых сигналов, авыход подключен к входу цифроаналогового преобразователя, выход генератора поисковых сигналов соединен с входом фазовращателя, выход которого соединен с вторым б 0 входом перемножителя.Использование динамической ошибкикак управляемого параметра позволяет при . детерминированных условиях работы привода прогнозировать величину момента 55 двигателя, определяющую динамическуюошибку. При этом стохастическое влияние возмущающих факторов возможно лишь в ограниченных пределах и независимо от их природы (т,е, независимо от того; по какойпи они возникают: электрической, маг 1795861нитной, механической) фактически величина возникающей динамической ошибки измеряется, сравнивается с программным значением, и величина рассогласования учитывается в законе программного изменения положения результирующего вектора. тока статора при поддержании модуля вектора тока неизменным, Управляемый параметр в этом случае играет роль демпфирующего фактора, стабилизирующего поведение подвижного элемента шагового двигателя при воспроизведении заданной траектории движения и минимизирующего мгновенную величину угла рассогласования полей статора и ротора,Такое управление ШЭП в условиях стохастического изменения нагрузки позволяет повысить устойчивость программного движения и .минимизировать величину динамической ошибки привода без применения специальных датчиков положения, а используя лишь легко интегрируемый в конструктив линейных одно- или двухкоординатных щаговых электродвигателей статический датчик-акселерометр с целью коррекции, включенной в устройство управления ШД и позволяющей корректировать программное значение динамической ошибки.На фиг.1 изображена модель двухфазного электродвигателя, на фиг.2 - устройство для реализации способа программного управления шаговым электроприводом; на фиг,З - зависимости усилия двигателя и сигнала коррекции от динамической ошибки привода; на фиг.4 - зависимость дйнамической ошибки от сигнала коррекции.Сущность способа программного управления ШЭП с коррекцией динамической ошибки отработки траектории движения заключается в следующем. В программно-управляемом ШЭП задание движения сводится к программному заданию положения результирующего вектора тока статора у относительно неподвижных осей статора при поддержании амплитуды вектора тока неизменной (фиг,1),Из уравнения, описывающего поведение шагового привода (Ивоботенко Б.А Козаченко В.ф, Шаговый привод в робототехнике. М.: изд-во МЭИ, 1984) с 1 6с 1-г с 1 6 + с 19 + рС = 1 в в 1 п(З)г ЖЮб где С - собственная круговая частота колебаний ШЭП;ф - коэффициент эквивалентного вязкого трения; в - относительное значение амплитуды вектора тока статора;,ио - относительное значение моментанагрузки;О в . электрическая координата привода, имеему = 9+агсе 1 п - И 6(1)+р 911)+рСПР 1 в10 Динамическая ошибка, равная углу рассогласования полей статора (индуктора) иротора (якоря) шагового двигателя, определяетсяур - О = дн - агсзи р15 где,й - относительное значение развиваемого двигателем усилия (момента),В приборных робототехнических системах, где возмущающие воздействия на привод детерминированы, можно рассчитать20 требуемый закон программного измененияскорости (б дйс)пр, а также закон программного изменения динамической ошибкиОн пр (и) и реализовать их в виде задания.Стохастическое изменение возмущающихвоздействий приведет к отклонению фактического значения Он (т) от дн пр (т). ВеличинуЬЙ - О (1) -Он пр(1) можно испольэовать дляцелей коррекции программного движенияу (1) = упр + Ьу, где Лу = Ю (ЬО,), при стоЗ 0 хастических набросах и сбросах нагрузки.Динамическая ошибка, как управляемый параметр; обладает следующимипреимуществами, Во-первых, она характеризует величину момента вращениядвигателя, как функцию угла смещенияэлектромагнитного поля относительно ротора и, следовательно, отражает изменениемомента в поле связи статора и ротора впроцессе электромеханического преобра 40 зования. Во-вторых, для целого класса режимов работы ШЭП со знакопеременнымнарушением условий экспауатации динамическая ошибка изменяется в ограниченныхпределах, что позволяет установить эталон45 сравнения (базу отсчета), а устройство регистрации получить в виде нуль-органа, чтообеспечивает высокую точность. В-третьих,использование динамической ошибки в качестве управляемого параметра позволяетне различать физическую природу возмущающего воздействия, т,е. происходит ли воздействие из электрической цепи магнитнойцепи, механической цепи.Примером реализации описанного выше способа служит устройство программного управления (фиг,2), которое состоит изпоследовательно соединенных цифроаналогового преобразователя 1, усилителя 2мощности, шагового двигателя 3, акселе5 10 рометра 4, избирательного усилителя 5, перемножителя 6 и интегратора 7. Выход интегратора 7 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 8, выход которого соединен с входом постоянного запоминающего устройства 9, выход которого соединен с первым входом первого цифрового сумматора 10 для задания сигнала коррекции динамической ошибки привода. Второй вход первого цифрового сумматора 10 является входом задания программного значения динамической ошибки и соединен с выходом вычислительного блока 11, на вход которого задаются параметры привода и характеристики программного движения. Выход первого цифрового сумматора 10 соединен с входом регулятора 12, а выход последнего - с первым входом второго сумматора 13, Второй вход второго цифрового сумматора 13 соединен с выходом преобразователя 14 скорость/положение, на вход которого задается программное значение скорости, а третий вход - с выходом генератора 15 поисковых сигналов. Выхор генератора 15 поисковых сигналов соединен также с входом фазовращателя 16, выход которого подключен к второму входу перемножителя 6. Выход второго цифрового сумматора 13 подсоединен к входу цифроаналогового преобразователя 1,Устройство для программного управления шаговым электродвигателем работает следующим образом.Программное воздействие Ър поступающее на второй вход второго цифровогс сумматора 13, задает положение результирующего вектора тока статора (упр). Смещение вектора 1(упр) относительно программного положения осуществляется поисковыми воздействиями п йЬ поступающими на третий вход второго цифрового сумматора 13 с выхода генератора 15 поисковых сигналов, Отклик привода на смещение вектора фър) измеряют акселерометром 4 и выделяют в избирательном усилителе 5, настроенном на частоту поиска вп и подают на первый вход перемножителя 6 подают моделирующий сигнал Ом с частотой тока вп с выхода генератора 15 поисковых сигналов через фазовращатель 16, осуществляющий фазовый сдвиг модулирующего сигнала, Величина фазового сдвига определяется инерционными свойствами шагового электропривода и задается при его настройке, Перемножитель 6 реализует операцию синхронного детектирования, выделяя сигнал Оо, модуль тоб Ов которого в среднем пропорционален динамической 15 20 25 30 35 40 45 50 55 жесткости угловой характеристики источника шаговых перемещений, э знак зуп Оп - . свидетельствует о положении рабочей точки на угловой характеристике привода относительно координаты Й =гг/2. Сигнал Оо усредняется интегратором 7, напряжение с выхода которого 0 поступает на аналогоцифровой преобразователь 8, Цифровой сигнал Йс с выхода аналого-цифрового преобразователя 8 является адресом постоянного запоминающего устройства 9 и поступает на его вход через регулятор 12,Программное воздействие упр поступающее на второй вход второго цифрового сумматора 13 с выхода преобразователя 14 скорость/положение, есть квазинепрерывное фазовое воздействие, задающее положение результирующего вектора тока статора 1 упр). Смещение вектора относительно программного по определенному закону и обработка сигнала, адекватного реакции привода на это смещение, позволяет выявить мгновенное значение динамической ошибки. Для этого на третий вход второго цифрового сумматора 13 подается поисковый сигнал = з 9 п(зпвптф пмас), формируемый генератором 15 поисковых сигналов, Частота смены знака сигнала уп определяется максимальным значением полосы пропускания ШЭП, а модуль упас - минимальной реакцией шагового двигателя на принудительное смещение вектора 10 пр) достаточной для определения отклика привода на поисковое воздействие Оп акселерометром 4. В зависимости от положения рабочей точки привода на угловой механической характеристикер (Й ) величина сигнала Оп, характеризующего смещение вектора 17 пр), варьируется по фазе и амплитуде и выделяется из сигнала О Ос выхода акселерометра 4 избирательным усилителем 5, Произведение величин Оп и модулирующего сигнала Ом = А зп(в + д 7) поступающего с выхода генератора 15 поисковых сигналов через фазовращатель 16, дает на выходе перемножителя 6 сигнал, который в среднем пропорционален динамической жесткости характеристики Р (Й ) =фмакс соз Й. Сигнал Оо усредняется интегратором 7, выходной сигнал О которого несет информацию о знаке и модуле динамической ошибки привода Й = агссоз Ос (фиг.3), Сигнал Ос поступает на аналогоцифровой преобразователь 8, цифровой сигнал М с выхода которого является адресом постоянного запоминающего устройства 9, хранящего коды динамической ошибки (фиг,4).12 1795861 КИв = епт,1-агссовт-в 1 дпЧйэл; состДРн 2 Мсс формула изобретенияние заданного управляемого параметра.СПОСОБ ПРОГРАММНОГО УПРАВс его текущим значением и изменение Л ЕНИЯ ШАГОВЫМ ПЕРЕМЕЩЕНИЕМтока усилителя мощности в соответст- ПОСРЕДСТВОМ ШАГОВОГО ЭЛЕКТРО- вии с результатом сравнения, отличаю- ДВИГАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО щийся тем, что, с целью повышения ус- ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ тойчивости движения и минимизации1, Способ программного управления 55 динамической ошибки шагового перемешаговым перемещением посредством щения при стохастических изменениях шагового электродвигателя, подключен- нагрузки, в качестве управляемого параметра используют угол рассогласования ного к усилителю мощности, включающий подачу управляющего воздействия, полей статора и ротора шагового электэлектрическое дробление шага, сравне- родвигателя, подают на вход поисковое где Йэксост. - Кдрп - число электрических состояний двигателя; 5Кдр - коэффициент дробления шага;п - число электрических состояний при . отсутствии электрического дробления шага, Код й Й подается на первый вход первого цифрового сумматора 10 и определяет дис кретное фазовое управление уЬ.= й 6 адр, где адр- величина дробного шага двигателя. На второй вход первого цифрового сумматора 10 подается программно-заданное значение динамической ошибки, получае мое в вычислительном боке 11 в результате расчета на основании данных АСНИ о параметрах привода и характеристиках программного движения согласно выражения Он=агсз п,и(функция агсз 1 п аппроксимируется 20 полиномами Ньютона второго порядка в диапазонах изменения момента,и = 0 - 0,75 и ,и = 0,75 - 0,95 с ошибкой не превышающей половины дробного шага), .Результат сравнения фактического и программно-заданно го значения аналитической ошибки является сигналом, который подается с выхода первого цифрового сумматора 10 на вход регулятора 12 (ПИ-регулятор), а с выхода последнего сигнал коррекции 30 Ьус добавляется к программно-фазовому управляющему воздействию упр, поступающему с выхода блока 14 посредством суммирования в блоке.13. Сигнал управления с выхода блока 13 поступает на вход цифроа налогового преобразователя 1, реализующего функцию электрического дробления шага с выдачей на вход усилителя мощности 2 синусно-косинусных зависимостей токов фаэ двухфазного двигателя в функцию программного значения частоты вращения при-, вода. Сигналы задания токов фаз двигателя поступают на усилитель мощности 2, выполняющий функции источника тока, Выходы блока 2 подсоединены к магнитоэлектриче скому шаговому двигателю 3. Таким образом, любое стохастическое изменение возмущающего воздействия приводит к формированию в цепи коррекции дискретного фазового сигнала, который компенсирует вызвавшее это изменение воздействие.Величина траекторной ошибки при данном способе программного управления ШЭП снижается до величины д,р0,1 а, где а- целый шаг двигателя.Привод характеризуется устойчивой работой при стохастических изменениях возмущающих воздействий в диапазоне, не превышающем максимальные физические возможности привода при воспроизведении траекторного движения,Использование заявляемого способа программного управления шаговым перемещением посредством шагового электродвигателя и устройства для его реализации позволяет обеспечить по сравнению с известными следующие преимущества: .в условиях стахостатического изменения нагрузки повышается устойчивость программного движения, так. как любое возмущение компенсируется дискретным фазовым.управляющим воздействием, чем и обеспечивается заметный демпфирующий эффект, стабилизируется мгновенное положение подвижного элемента шагового электродвигателя;минимизируется динамическая ошибка привода за счет использования в качестве управляемого параметра угла рассогласования полей статора и ротора шагового электродвигателя,Способ программного управления шаговым перемещением посредством шагового электродвигателя и устройство для его реализации позволяют отказаться от использования датчиков обратной связи по положению подвижного элемента, унифицировать структуру ШЭП независимо от конструкции шагового электродвигателя, стабилизировать переходные режимы работы привода.фазовое воздействие, изб .отклик на него, выделяют сигнал, содержащий информацию об угле рассогласования, преобразуют сигнал в цифровой код угла рассогласования, сравнивают его с 5 программно-заданным значением угла рассогласования, результат сравнения преобразуют в сигнал коррекции, который добавляют к программно-заданному воздействию.2. Шаговый электропривод, содержащий последовательно соединенные цифроаналогбвый преобразователь, усилитель МОЩНОСТИ, Шаговый 15 электродвигатель, акселерометр, избирательный усилитель, перемножитель, интегратор, а также аналого-цифровой преобразователь, первый цифровой сумматор и генератор пробного сигнала, 20 отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости работы, в него дополнительно введены второй цифровой сумматор, постоянное запоминающее25 устройство, вычислительный блок, регулятор, преобразователь скоростьположение и фазовращатель, при этом выход интегратора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом постоянного запоминающего устройства, выход которого подсоединен к первому входу первого цифрового сумматора, второй вход которого подключен к выходу вычислительного блока, а выход соединен с регулятором, выход которого. подключен к первому входу второго цифрового сумматора., второй и третий входы которого подсоединены к выходам преобразователя скорость/положение и генератора поисковых сигналов, а выход подключен к входу цифроаналогового преобразователя, выход генератора поисковых сигналов соединен с входом фаэовращателя, выход которого соединен со вторым входом пере- множителя,1795861 Составитель В.ЛелатинТехред М.Моргентал Коррек Керецм Редакт Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента13035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 аз 5 Производственно-издательский комбинат "ПатЕнт", г, Ужгород, ул.Гагаринэ, 10