Учебное пособие 800427

программирования таймера.

Связь с ЭВМ верхнего ранга может быть организована по каналу последова-

тельной передачи данных. Для выполнения этой функции в МПИ КР580 предусмот-

рена БИС типа КР580ИК51 — программируемый связной адаптер, представляющий собой универсальный синхронно-асинхронный передатчик, настраиваемый: практи-

чески на любой способ передачи с помощью программирования. БИС связного адап-

тера не может непосредственно обеспечить связь по последовательному каналу с уда-

ленными на несколько метров объектами. Для этого в составе микроЭВМ предусмот-

рена специальная схема ИРПС (интерфейса радиального последовательного), которая содержит оптронные «развязки» и стабилизатор тока в «петлях» приемного и пере-

дающего трактов. В соответствии с действующими стандартами канал ИРПС обеспе-

чивает передачу информации на расстояние до 500 м со скоростью 9600 бит/с. Для хранения функционального программного обеспечения в микроЭВМ имеется ПЗУ емкостью до 8 байт. ПЗУ выполнено на БИС с ультрафиолетовым стиранием инфор-

мации, что обеспечивает возможность коррекции программ.

ОЗУ выполнено на БИС малого потребления и имеет емкость 8 байт.

Для кратковременного хранения данных при аварийном отключении питания предусмотрена возможность внешней подпитки (например, от аккумулятора).

Рассмотренная структура микроЭВМ является проблемно-ориентированной в широком смысле, т. е. может быть использована не только при построении устройств управления ПР, но и при создании систем управления и контроля, работающих в ре-

альном масштабе времени.

3.2. Программно-задающие модули

В устройствах циклового программного управления в зависимости от их кон-

кретного назначения используются различные типы программоносителей: «жесткие» коммутационные поля, перфокарты, штекерные диодные матрицы, интегральные ЗУ с сохранением информации при отключениях питания и т. д. Перспективным направ-

лением в построении программно-задающих модулей для таких устройств следует считать использование БИС ОЗУ малого потребления энергии и ППЗУ с электриче-

ским стиранием информации.

На рис. 3.5 показана структурная схема организации программоносителя на ос-

нове ОЗУ малого потребления. Наиболее распространенной является одноразрядная организация БИС ОЗУ, позволяющая сократить число выводов микросхемы памяти.

Блоки памяти с требуемой разрядностью формируются параллельным подключением к адресной шине БИС одноразрядных ОЗУ. При этом выборка микросхем осуществ-

ляется одновременно. Входы и выходы блока подключаются к соответствующим раз-

рядам шины данных.

Для подпитки микросхем памяти предусматривается источник резервного пи-

тания — батарея элементов, аккумулятор или ионистры. Подключение питания от ре-

зервного источника производится через диодную развязку (с системой вторичного питания устройства).

При работе БИС ОЗУ во избежание потери информации запрещается одновре-

менное изменение состояния сигналов адресного тракта и состояния сигнала выбор-

ки. Однако в момент включения-выключения питания, когда в логических цепях уст-

ройства протекают переходные процессы, возникновение указанной ситуации вполне возможно. Для защиты информации, хранящейся в памяти, предусматривается специ-

альная схема, которая блокирует сигнал выборки кристаллов при исчезновении пита-

ния, вырабатываемого источником питания устройства.

Применение химических источников резервного питания сопряжено с опреде-

ленными трудностями их тепловой защиты. Использование большинства химиче-

ских батарей и аккумуляторов не допускается при температурах 50-60 °С, возникаю-

щих в шкафах систем управления при эксплуатации в ряде машиностроительных производств. Определенные ограничения на применение в качестве программоноси-

телей БИС ОЗУ малого потребления накладывают повышенные габаритные раз-

меры источников резервного питания. Другим направлением в разработке про-

граммоносителей цикловых устройств является использование БИС ППЗУ с электри-

ческой перезаписью информации. Структурная схема одного из возможных вариан-

тов таких программоносителей изображена на рис. 3.6. БИС ППЗУ имеют ор-

ганизацию 1024х4 бит и поэтому объединены попарно. Выборка пар микросхем осу-

ществляется с помощью дешифратора ДС, подключенного к внутренней адресной ма-

гистрали модуля.

Связь модуля ППЗУ с процессором производится через программируемый па-

раллельный интерфейс — БИС КР 580ИК55, обеспечивающий формирование требуе-

мых временных диаграмм при записи и считывании информации в/из ППЗУ. Воз-

можность наращивания числа модулей ППЗУ достигается путем установки селектора и переключателя набора номера модуля. Использование в модуле ППЗУ БИС про-

граммируемого параллельного адаптера позволяет упростить аппаратную реализацию

«обрамления» микросхем памяти за счет программной реализации циклов записи и регенерации информации.

В позиционно-контурных устройствах программного управления ПР в качестве внешних программоносителей используют обычно накопители на магнитной ленте или гибких магнитных дисках («флоппи-диски»). Применение таких носителей глав-

ным образом для записи и хранения управляющих программ и контрольно-диаг-

ностических тестов обеспечивает определенные удобства для организации библиоте-

ки «обученных» программ, комплекта проверочных тестов для проведения профилак-

тических работ, а также программного обеспечения устройств в целом.

Рассмотрим вариант организации блока ввода-вывода информации с кассетного накопителя на магнитной ленте (КНМЛ), используемого в качестве внешнего про-

граммоносителя в устройствах типа УПМ-331 и УПМ-772. КНМЛ представляет собой электромеханический блок с электронным управлением, обеспечивающим запись ин-

формации при перемещении ленты в одном направлении (вперед), а воспроизведение

— при перемещении ленты в обоих направлениях (вперед или назад).

КНМЛ работает со стандартной кассетой типа МК-60 с дополнительно обозна-

ченными маркерами начала и конца ленты. Для работы с КНМЛ следует использовать специальную магнитную ленту для записи числовой информации.

Запись программы на магнитной ленте производится по двум дорожкам. При этом, если дорожка 2 насыщается в полярности стирания, в то время как дорожка 1

насыщается в противоположной полярности, то такое положение характеризует бит информации, соответствующий «1». Если же дорожка 3 насыщается в полярности стирания, а 2 — в противоположной полярности, то такое положение характеризует бит «0».

Программа на ленту записывается по предварительно размеченным зонам опре-

деленной длины.

Структурная схема блока ввода-вывода информации из КНМЛ, содержит функ-

ционально узлы ввода-вывода информации (УВВ), формирования тактирующих сиг-

налов и импульсов записи на магнитную ленту (УФТЗ), управления (УУ). Блок обес-

печивает работу КНМЛ в режимах поиска зоны на ленте при ее движении вперед или назад, чтения и записи информации, ускоренной перемотки ленты и т. д.

Информация о режиме работы поступает из устройства в приемный регистр УВВ и переписывается далее в регистр режимов УУ. После завершения работы блока в заданном режиме формируется признак конца операции, который запрещает работу лентопротяжного механизма.

В режимах поиска зоны блок обеспечивает поиск заданной зоны и останов лен-

ты в положении, готовом к чтению или записи информации в зоне. Режимы поиска зоны отличаются лишь первоначальной установкой направления движения. По-

сле приема блоком данного режима и начала движения ленты в УУ формируется признак, разрешающий запись в приемный регистр кода маркера зоны, которую не-

обходимо найти на ленте. Затем на один вход схемы сравнения поступает код маркера текущей зоны, считываемый с движущейся ленты, а на другой — код маркера задан-

ной зоны из приемного регистра.

Процесс сравнения маркеров продолжается до тех пор, пока не будет найден маркер заданной зоны. Совпадение маркеров вызывает останов ленты.

В режиме чтения информации в зоне при наличии сигнала разрешения осуще-

ствляется запись считываемой с ленты информации в приемный регистр и произво-

дится подсчет бит информации. После считывания полного байта информация пере-

писывается из приемного регистра в выходной регистр. Формируемые при этом при-

знаки управления в УУ разрешают выдачу байта информации в устройство управле-

ния.

Процесс считывания информации и передачи ее в устройство продолжается до поступления команды управления из устройства, в результате которой движение лен-

ты прекращается.

В режиме записи информации в приемный регистр записывается байт инфор-

мации. При наличии разрешающего признака из УУ осуществляется перепись байта в схему формирования импульсов записи на ленту. Информация, поступающая из при-

емного регистра, стробируется импульсными сигналами, в результате чего сформи-

рованные импульсы «0» и «1» подаются из УФТЗ в КНМЛ на усилители записи. Схе-

ма формирования конца байта подсчитывает число бит информации, записанных на

ленту. После записи байта информации в УУ формируется управляющий признак,

разрешающий передачу в приемный регистр очередного байта информации.

Работа блока в данном режиме прекращается после получения управляющей команды из устройства управления. В режиме перемотки ленты управляющий сигнал непосредственно из регистра режимов передается на КНМЛ. При этом сигналы дви-

жения вперед-назад блокируются.

Следует отметить, что с помощью специальной схемы блока магнитная лента предварительно подвергается «разметке» на определенные зоны. В процессе выпол-

нения этой подготовительной операции осуществляется последовательная запись и считывание контрольной информации по зонам, в результате чего пользователь полу-

чает достоверную картину о качестве участков (зон) магнитной ленты перед занесе-

нием на нее информации. По существу блок ввода-вывода представляет собой «кон-

троллер», организация которого может быть различной в зависимости от возлагаемых на него функций. Например, блок может быть выполнен на основе микропроцессор-

ной техники или реализован в виде простейшего интерфейсного блока при передаче функций управления центральному вычислителю. Использование программоносите-

лей на магнитной ленте в устройствах управления ПР с целью повышения надежно-

сти изделия в целом целесообразно осуществлять путем загрузки буферной опера-

тивной памяти всем массивом управляющей программы, необходимой Для данного автоматизируемого процесса управления.

3.3. Управление приводами Технические требования к системе управления движением ПР. Многозвен-

ный механизм, несущий рабочий орган ПР, как объект управления может быть отне-

сен к наиболее сложным — его характеризуют наличие зазоров и упругих де-

формаций, переменный характер нагрузки и широкий диапазон изменения скорости.

В то же время к системе управления движением ПР обычно предъявляют комплекс жестких и во многом противоречивых требований; высокое быстродействие при за-

данной плавности движения, отсутствие перерегулирования, высокая точность отра-

ботки задания, устойчивость в широком диапазоне изменения нагрузки; минимальная масса и габаритные размеры исполнительных элементов; повышенная надежность в работе; удобство ремонта и обслуживания; высокая технологичность и максимальная

унификация узлов и деталей.

При всем разнообразии принципов управления и конкретных технических ре-

шений система автоматического управления (САУ) движением ПР может быть пред-

ставлена обобщенной структурной схемой, показанной на рис. 3.8.

САУ содержит блок задания программы (БЗП), блок формирования управляю-

щих воздействий (БФВ), усилитель мощности (УМ), исполнительный элемент (ИЭ),

передаточный механизм (ПМ), объект управления (ОУ) и информационно-

измерительную систему (ИС). На схеме условно показан один канал управления. САУ промышленного робота обычно содержит несколько каналов управления, объединен-

ных общей целью — перемещение рабочего органа ПР. Тип управления для различ-

ных степеней подвижности может быть различным. Так, управление захватом в большинстве случаев цикловое — от упора до упора. Такой же тип управления часто применяют для ориентирующих степеней подвижности. Название системе дает тип управления основными степенями подвижности, выполняющими геометрическое пе-

ремещение рабочего органа.

САУ имеет, как правило, один общий БЗП, включающий память программ, и

логико-вычислительное устройство, выполняющее первичную обработку команд про-

граммы и выдачу их на входы контуров управления положением в согласованной форме. Выдача команд обусловлена наличием ответного сигнала об исполнении пре-

дыдущих команд (по всем степеням подвижности) или отсчетом времени.

Блок БФВ предназначен для формирования управляющих сигналов, непосред-

ственно воздействующих на приводы робота. Исходной информацией для БФВ слу-

жит задание на перемещение от БЗП, а также информация о состояниях приводов и звеньев манипулятора, поступающая от ИС. При управлении в функции времени обратная связь через ИС может не использоваться.

Блоки УМ, ИЭ и ПМ составляют разомкнутый привод звена манипулятора

(ОУ).

Требования к САУ и ее элементам могут существенно различаться для различ-

ных типов управления и вариантов исполнения.

САУ позиционного типа должна обеспечивать перемещение рабочего органа ПР из точки в точку за минимальное время с заданным качеством движения. Требо-

вания к качеству движения — ограничения по скорости и ускорению, отсутствие пе-

ререгулирования, точность позиционирования вытекают прежде всего из технологи-

ческого процесса, но могут быть и следствием ограниченных возможностей привода или механизма в целом. В качестве примера можно указать на ограничение по второй производной, связанное со способностью захвата удерживать деталь максимального веса при разгоне и торможении привода.

Поскольку требования к качеству движения противоречат требованию макси-

мального быстродействия, большое значение имеет возможность переключения па-

раметров САУ с целью обеспечения тех или иных качеств только в случаях, когда они действительно необходимы, и в той мере, которая требуется по технологическому

процессу.

Необходимо отметить, что построение САУ с оптимальным управлением свя-

зано с соответствующим увеличением ее стоимости, а также снижением надежности.

Поэтому в большинстве разработок роботов с позиционным управлением исполь-

зуют упрощенные решения, допустимые для круга задач, на которых специализи-

рован данный робот. Так, в роботах с цикловым управлением необходимая точность и плавность движений достигается механическими средствами— упорами и аморти-

заторами, при этом функция управления сводится к выполнению простейших логиче-

имущественно для выполнения простых транспортных операций. Более сложные

движения, требующие сочетания высокой производительности, точности и плавности,

а также малые перемещения (например, при точечной сварке) предполагают исполь-

зование качественного регулируемого привода, точных преобразователей положения и схемы управления с достаточно широкими логико-вычислительными возможно-

стями. Контур управления положением, охваченный главной обратной связью, вклю-

чает (в качестве объекта управления) контур управления скоростью, который, в

свою очередь, может включать другие подчиненные контуры, например кон-ТУР управления по току якоря. Такой принцип построения САУ позволяет настраивать

контуры независимо и более точно, добиваясь необходимого качества работы систе-

мы. Скоростной контур кроме Разомкнутого привода П обычно содержит последо-

вательные (КУ) и параллельные (ДС) корректирующие устройства. Входной сигнал на контур управления скоростью поступает с выхода преобразующего устройства ПУ,

использующего информацию о рассогласовании по положению, вырабатываемую устройством сравнения. Обратная связь по положению выполняется с помощью ана-

логового или цифрового датчика положения (ДП), механически связанного со звеном манипулятора.

Рис. 3.4. Типовая структурная схема замкнутого контура управления положением.

Идеальная диаграмма скорости, отвечающая требованию максимального быст-

родействия с учетом ограничения по второй производной, имеет вид равностороннего треугольника. В реальной системе, как правило, имеет место естественное или искус-

ственное ограничение скорости, что деформирует диаграмму скорости. Харак-

теристика управления, формируемая ПУ, должна обеспечивать максимальное при-

ближение к идеальной диаграмме скорости. При этом учитываются статические и ди-

намические характеристики скоростного контура. На этапе разгона сигнал управле-

ния скоростью формируется в функции времени. Однако на этапе торможения такой способ может привести к значительной погрешности позиционирования. Действи-

тельно, из формулы равнозамедленного движения путь торможения

2 /(2 )

Т0

где

0 - начальная скорость;

- замедление.

Из формулы следует, что относительная погрешность пути / Т более чем в

2 раза превышает относительную погрешность начальной скорости / 0 , дости-

гающую в статической системе регулирования нескольких процентов. В ряде разра-

боток рассогласование, при котором начинается торможение (в функции времени),

поставлено в зависимость от квадрата начальной скорости. Однако и в этом случае для повышения точности в окрестности точки позиционирования используют управ-

ление в функции рассогласования.

Рис.3.4. Характеристика управления и диаграмма скорости в окрестности точки пози-

ционирования.

Другой, наиболее распространенный способ торможения предполагает

управление скоростью в функции рассогласования на всем пути торможения. Для

При пропорциональной статической зависимости скорости от сигнала управле-

ния z имеем

где K - крутизна статической характеристики скоростного контура.

Инерционность привода вносит запаздывание скорости относительно сигнала управления, поэтому характеристику управления в окрестности точки позициониро-

вания формируют таким образом, чтобы позиционирование осуществлялось без пере-

регулирования. Широко распространенным приемом является доводка привода на фиксированной («ползучей») скорости, обеспечивающая, с одной стороны, отсутст-

вие перерегулирования и, с другой, — необходимый уровень чувствительности сис-

темы. На рис. 3.10 показаны кривые изменения z и в окрестности точки позицио-

нирования. Зону рассогласования 1 , соответствующую сигналу ползучей скорости,

выбирают исходя из максимальной величины запаздывания скорости, полученной пу-

тем моделирования системы или экспериментально, при наладке робота. Потеря вре-

мени при доводке на ползучей скорости зависит от величины разброса диаграммы скорости, заштрихованной зоной. Разброс является следствием переменного момента нагрузки, а также изменения параметров системы под влиянием внешних условий.

Факторы, влияющие на разброс скорости, частично могут быть учтены программно

(например, вес перемещаемой детали или радиус поворота), однако такой способ свя-

зан с усложнением процесса обучения, поэтому основным путем повышения произ-

водительности робота с позиционным управлением является улучшение статических и динамических свойств скоростного контура.

Формирование сигнала управления в зоне останова связано с проблемой фик-

сации манипулятора в заданной позиции. При наличии самотормозящейся передачи от двигателя к звену манипулятора для фиксации звена достаточно снять управляю-

щий сигнал. Если же передача обратима по нагрузке, то после снятия управляющего сигнала момент неуравновешенности звена выводит его из зоны останова, вследствие чего возникают автоколебания, амплитуда которых при определенных условиях мо-

жет превышать допустимый уровень. Одним из средств снижения амплитуды колеба-

ний является введение дополнительного постоянного момента сопротивления, что,

однако, невыгодно в энергетическом отношении. Компенсация момента неуравнове-

шенности может быть достигнута также использованием активного момента двигате-

ля. Для такой компенсации необходима непрерывная характеристика сигнала уп-

равления в зоне останова (рис. 3.10), которая может быть получена при сравнении за-

данного и текущего положения в аналоговой форме. При использовании цифрового сравнения также может быть построена условно-непрерывная характеристика, что,

однако, требует значительного превышения разрешающей способности цифрово-

го датчика положения или АЦП по отношению к требуемому.

Еще одним решением проблемы фиксации является применение фрикционных