Методическое пособие 659

Функциональная схема тактического уровня систем управления современных роботов соответствует традиционной структуре построения цифровых вычислительных машин. В составе тактического уровня управления имеются следующие блоки:

–интерфейс (И) с тремя каналами, к которым подключены накопитель информации (НИ), видеотерминальное устройство (ВТУ), пульт ручного управления (ПРУ);

–центральный процессор (ЦП);

–постоянное и оперативное запоминающие устройства (ПЗУ и ОЗУ);

–модули дискретного ввода и вывода (МДВв и МДВыв);

–модуль связи (МС) магистралей МА1 и МА2. Тактический уровень управления обеспечивает ввод ин-

формации о требуемых декартовых координатах рабочего органа в опорных точках, решение обратной задачи кинематики, хранение данных, управление технологическим оборудованием и связь с исполнительным уровнем.

Всостав исполнительной системы входят блоки:

–микроконтроллеры (МК1–МКn);

–импульсные усилители мощности (ИУМ1–ИУМn);

–модули связи с датчиками (МСД1–МСДn);

–модули аналогового ввода (МАВ1–МАВn);

–исполнительные двигатели постоянного тока М1–Мn;

–редукторы (P1–Pn), через которые валы двигателей связаны с исполнительными механизмами (ИМ1–ИМn);

–датчики перемещения (ДП1–ДПn);

–потенциометрические датчики R1–Rn.

МК1–МКn на основе информации о требуемых перемещениях координат манипулятора, поступающей с тактического уровня управления, и текущем положении координат, получаемой от МСД1–МСДn, вырабатывают коды задания управляющих напряжений.

Если ДП1–ДПn представляют собой датчики относительных перемещений (например, импульсные датчики), возникает также необходимость в применении датчиков абсолютного отсчета. Их роль выполняют потенциометрические

140

датчики R1–Rn, сигналы с которых через МАВ1–МАВn вводятся в МК1–МКn.

Внутренние преобразователи микроконтроллеров МК1– МКn формируют широтно-импульсные сигналы, длительность которых определяется соответствующими кодами задания напряжений. С выходов ИУМ1–ИУМn управляющие напряжения U1–Un поступают на якори исполнительных двигателей постоянного тока М1–Мn.

При отработке заданных траекторий обобщенных координат (контурном управлении) на МК1–МКn с тактического уровня поступают не только коды требуемых перемещений, но и коды заданных скоростей координат. Информация о фактических скоростях снимается с соответствующих датчиков или получается в результате численного дифференцирования перемещений координат.

В том случае, если микроконтроллер имеет достаточное быстродействие для управления в реальном времени всеми приводами робота, используется вариант двухпроцессорной системы управления. При этом в составе исполнительного уровня управления используется один микроконтроллер.

Микропроцессорная реализация алгоритмов любого уровня управления связана с выбором цифровых вычислительных машин, задачей которых является выполнение необходимых расчетов в реальном времени при движении манипулятора. Способность конкретной УВМ решать эту задачу определяется вычислительной сложностью алгоритма управления и временем выполнения отдельных операций.

6.2. Вычислительная сложность алгоритмов управления и выбор УВМ

Математические выражения, составляющие требуемый закон управления, включают алгебраические операции над действительными числами. Вычислительная сложность алгоритма выражается числом операций умножения, деления, сложения и вычитания с плавающей точкой. Объем вычислительной работы (общее количество машинных операций) ис-

141

пользуется для получения таких нормативных показателей, как необходимые быстродействие и объем памяти.

Наиболее точно объем вычислительной работы можно определить, используя машинную программу. Однако на этапе выбора УВМ составлять такую программу нецелесообразно; оценку вычислительной работы осуществляют на основе опыта решения аналогичных задач, моделированием или аналитически с использованием схемы алгоритма управляющей программы.

Время Т отработки алгоритма на УВМ можно определить как суммарное время выполнения основных операций

где nу, nд, nс, nв – количество операций умножения, деления, сложения и вычитания, необходимых для отработки алгоритма; tу, tд, tс, tв – время выполнения соответствующих опе-

раций.

В том случае, когда управляющий алгоритм отрабатывается в ходе движения манипулятора (в реальном времени), работоспособность системы управления обеспечивается только при выполнении условия

где Тд – период дискретности при выдаче воздействий с УВМ на электроприводы, принимаемый обычно не более 20 мс.

Объем памяти, необходимый для реализации алгоритма, находят из соотношения

где Qп, Qч – соответственно объем памяти, необходимый для хранения команд программы и числовой информации.

Необходимо отметить, что количество числовых данных, которые нужно запомнить, меняется от одного участка программы к другому. Объем памяти управляющей ЭВМ должен превышать максимально возможный объем данных и про-

142

грамм, определяемый на основе анализа алгоритма управляющей программы.

Таким образом, при выборе управляющей вычислительной машины необходимо определить время отработки управляющего алгоритма и требуемый объем памяти, чтобы оценить возможность управления в реальном времени.

Рассмотрим серии специализированных однокристальных микроконтроллеров ведущих мировых фирм Intel, Texas Instruments, Atmel, которые рекомендуются для решения задач встроенного управления оборудованием в области робототехники, станкостроения, гибкого автоматизированного производства.

Серия микроконтроллеров Intel MCS-196/296 является одной из наиболее интересных для специалистов. Она имеет уникальную регистр-регистровую архитектуру, эффективную систему команд и широкую гамму встроенных периферийных устройств.

Эта серия ориентирована на управление событиями в реальном времени и имеет необходимые для этого специализированные периферийные устройства: контроллер прерываний, процессор событий, сервер периферийных транзакций.

Микроконтроллер Intel MCS-296, предназначенный для применения в системах управления повышенной производительности с возможностями встроенной цифровой обработки сигналов, объединил в одном устройстве преимущества относительно дешевых микроконтроллеров с большим количеством интегрированных на кристалл периферийных устройств и цифровых сигнальных процессоров – DSP-процессоров (Digital Signal Processor) среднего быстродействия.

Микроконтроллер Intel MCS-296 имеет следующие достоинства [16]:

– повышение производительности центрального процессора за счет сокращения времени выборки из памяти программ и данных;

143

–использование конвейерного режима для резкого сокращения времени командного цикла. Конвейер выполнения в процессорах Intel MCS-296 рассчитан на одновременное выполнение 4-х команд;

–применение аппаратных умножителей и делителей, которые позволяют резко сократить время выполнения самых распространенных при цифровой обработке сигналов операций, в частности операций умножения с накоплением;

–включение в систему команд семнадцати новых специальных команд, оптимизированных для решения задач построения цифровых фильтров и регуляторов: умножения с накоплением, повторения, автоматизации обновления данных

втаблицах последовательных выборок входных сигналов по мере их использования.

Основные характеристики микроконтроллера Intel 80C296SA представлены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Intel 80С296SA выполняет наиболее часто встречающуюся операцию цифровой обработки сигналов, а именно умно-

жение с накоплением MAC (multiply and accumulate) за 80 нс,

что обеспечивает быстродействие в 12,5 млн команд цифровой обработки сигналов в секунду. Простые команды могут выполняться вдвое быстрее, а именно – за 40 нс. При этом на обычном наборе команд быстродействие составляет 16 млн операций в секунду.

Расширенное до 6 Мбайт адресное пространство позволяет при разработке программного обеспечения без затруднений использовать кросс-языки высокого уровня. Это особенно

144

важно в системах комбинированного типа, где необходимо одновременно решать как задачи цифровой обработки сигналов, так и задачи управления событиями (системы векторного управления электроприводами).

80С296SA имеет следующие встроенные периферийные устройства: массив процессоров событий ЕРА (Event Processor Array) с разрешением 80 нс; ШИМ-модулятор с максимальной выходной частотой 195,3 кГц; последовательный порт с максимальной скоростью синхронной передачи 12,5 Мбод и асинхронной передачи – 3,1 Мбод. В Intel 80296SA имеются также встроенный модуль выборки внешних устройств (Chip Select Unit), система прерываний, таймеры /счетчики.

На рис. 6.3 показаны главные блоки, входящие в состав микроконтроллера 80C296SA.

Рис. 6.3. Структура микроконтроллера 80C296SA

145

Выделенная пунктиром область относится к модулю центрального процессора и включает в себя ядро микроконтроллера, блок тактового генератора и схемы управления питанием, внутреннюю оперативную память программ и данных, контроллер шины и модуль выборки внешних устройств (Chipselect Unit). Все устройства, входящие в модуль центрального процессора, связаны между собой 24-разрядной шиной адреса.

Всостав микроконтроллера интегрированы периферийные устройства: порты ввода/вывода общего назначения (I/O), порт последовательного ввода/вывода (SIO), генератор ШИМсигналов (PWM), многоканальный процессор событий (ЕРА) и программируемый контроллер прерываний (Interrupt Controller). Все внутренние периферийные устройства связаны между собой 8-разрядной шиной адреса периферийных устройств.

Внутреннее регистровое ОЗУ обеспечивает оконный доступ к 512 байтам встроенного ОЗУ, 2 Кбайтам внутренней кодовой памяти/памяти данных, а также к 6 Мбайтам внешней памяти.

Intel 80С296SA выпускается в 100-выводном корпусе. Корпус процессора рассчитан на планарную технологию – так называемый малошумящий корпус, использование которого позволяет минимизировать радиочастотные излучения.

Для тех разработчиков, которым необходимы 16разрядные микроконтроллеры с высокой производительностью, Intel 80С296SA обеспечивает эти требования по вполне приемлемой цене (13.5–14 $).

Внастоящее время на российском рынке также распространяются 32-разрядные сигнальные микроконтроллеры специализированного семейства Texas Instruments C2000 [17]–[19]. Они рассчитаны на применение в силовой электронике, электромеханике, системах комплексной автоматизации производства. Микроконтроллеры семейства эффективны для управления электрическими двигателями любых типов – от асинхронного до вентильно-индукторного (Motor Control); роботами, манипуляторами, станками с ЧПУ.

146

32-разрядные DSP-микроконтроллеры семейства 281x имеют следующие особенности:

–производительность до 150 млн операций в секунду;

–8-уровневый конвейер команд;

–одноцикловые команды «Чтение-Модификация-Запись»;

–большой объем встроенной флэш-памяти программ (до 128 К слов) и памяти данных (до 18 К слов);

–аналого-цифровой преобразователь с временем преобразования 80 нс/канал;

–расширенные коммуникационные возможности за счет использования двух многоканальных буферизированных последовательных портов (McBSP);

–эффективный транслятор с языка высокого уровня

С/С++;

–специальная библиотека IQmath поддержки вычислений в любом фиксированном формате; первая возможность выполнить всю разработку и отладку программного обеспечения в реальном времени на языке высокого уровня.

Основное применение – сложные комплектные электроприводы с системой векторного, векторного бездатчикового управления, расширенными сервисными функциями; системы управления роботов и станков.

32-разрядные DSP-микроконтроллеры семейства 2833х имеют следующие особенности:

–первые специализированные микроконтроллеры с параллельной работой двух интегрированных на кристалл модулей центрального процессора с фиксированной и плавающей точкой; повышение общей производительности до 300 млн оп./с;

–мощная команда умножения с накоплением позволяет одновременно в формате с плавающей точкой рассчитывать сразу два цифровых фильтра любого порядка, выборки и коэффициенты которых последовательно-поочередно расположены в памяти;

–значительное увеличение объема встроенной флэшпамяти до 256 К слов и встроенного ОЗУ до 32 К слов;

147

–модифицированная универсальная периферия семейства 280x для эффективного управления силовыми преобразователями, двигателями и источниками питания;

–контроллер прямого доступа в память для ускоренного обмена данными между внутренней, внешней памятью и периферией;

–два контроллера CAN-шины, позволяющие организовать две независимо работающие CAN-сети – для подключения внутренних интеллектуальных устройств и внешних, например, для связи с системами управления верхнего уровня.

CAN (Control Area Network) – последовательная маги-

страль, обеспечивающая увязку в сеть интеллектуальных устройств ввода/вывода, датчиков и исполнительных устройств некоторого механизма или даже предприятия. Характеризуется протоколом, обеспечивающим возможность нахождения на магистрали нескольких ведущих устройств, обеспечивающим передачу данных в реальном масштабе времени и коррекцию ошибок, высокой помехоустойчивостью.

Дополнительно в микроконтроллерах семейства 2833х имеются: 9 таймеров, «квадратурный» декодер, 16-канальный АЦП с временем преобразования 80 нс/канал; синхронный периферийный интерфейс SPI, 16/32-разрядная шина расширения памяти.

Основные характеристики микроконтроллеров серии

TMS320F2833x приведены в табл. 6.2.

Таблица 6.2

148

Уникальная архитектура расширенного ШИМ-генера- тора позволяет легко реализовать широтно-импульсную модуляцию базовых векторов для обычных трехфазных инверторов; аппаратную синхронизацию двенадцати ШИМ-сигналов управления трехуровневыми инверторами; автоматическую фазовую синхронизацию любого числа каналов DC/DCпреобразователей в зависимости от числа работающих каналов; прецизионное управление скважностью для устройств, работающих на высоких частотах несущей (до сотен кГц).

Контроллер прямого доступа в память (ПДП) обеспечивает аппаратную передачу данных между периферией и памятью, а также между различными областями памяти без участия центрального процессора, разгружая его от выполнения ряда важных, но рутинных функций. Высвободившееся процессорное время используется для реализации системных функций.

Фирма НПФ «Вектор» совместно с фирмами «Цикл+» и «Центртехкомплект» (г. Москва) разработала малогабаритные высокопроизводительные контроллеры МК20.1 с центральным процессором TMS320F28335 для управления асинхронными, вентильными и вентильно-индукторными двигателями как с независимым возбуждением, так и с самовозбуждением.

Опыт первого успешного использования новейших микроконтроллеров Texas Instruments серии 28335 в комплектных электроприводах отечественного производства полностью подтверждает их уникальные возможности с точки зрения повышения производительности, упрощения программирования и сокращения сроков новых разработок.

Широкое распространение на российском рынке также получили 8-разрядные микроконтроллеры AVR семейств

Classic, Tiny и Mega фирмы Atmel [20]–[23], имеющие низкую стоимость. Микроконтроллеры семейства Mega имеют наиболее развитую периферию, наибольшие среди всех микроконтроллеров AVR объемы памяти программ и данных.

Основные характеристики микроконтроллеров семейства Mega приведены в табл. 6.3.

149