Архитектура системы ЧПУ

1. Системный анализ

1.1 Общие принципы построения системы ЧПУ

Архитектура системы ЧПУ (рис. 1.1) на прикладном уровне представляет собой совокупность базовых и дополнительных модулей, модули закреплены за задачами управления. К числу подобных задач относят:

- геометрическую (геометрический процессор), ориентированную на управление следящими приводами;

- логическую, организующую управление электроавтоматикой;

- терминальную, поддерживающую диалог с оператором, отображение состояний системы, редактирование и верификацию управляющих программ;

- технологическую, гарантирующую поддержание или оптимизацию параметров технологического процесса.

К дополнительным модулям отнесены коммерческие приложения. Модуль независим и является вложенным объектом: он располагает собственной алгоритмической структурой данных и интерфейсной оболочкой для работы в клиент-серверной среде. Общая структура представлена NC подсистемой (Numerical Control) и PC подсистемой (Personal Computer). Первая формирует среду для ЧПУ ориентированных модулей, работающих в реальном времени и для специальных приложений пользователя. Вторая подсистема включает инструментальную систему подготовки и тестирования управляющих программ, а также возможно другие специальные приложения.

Взаимодействие модулей осуществляется посредством программной объектно-ориентированной магистрали, которая не только поддерживает коммуникационные протоколы, но и выполняет серверные функции. Модули могут предоставлять данные, запрашивать данные, управлять состояниями других модулей. Запрос данных осуществляется синхронным и асинхронным способами или по событию. Выбор механизма запроса зависит от конкретной задачи. При синхронном запросе, модуль осуществляющий запрос (клиент), останавливает в точке запроса и ждет до истечения тайм-аута ответа от модуля обслуживающего запрос (сервер). При асинхронном запросе клиент продолжает свою работу, а обработка ответа независимо от времени его получения выполняются специальной функцией (сallback-функцией); ее работа напоминает механизм обработки прерывания. Запрос по событию (синхронный и асинхронный) означает, что ответ будет получен только после изменения данных.

Рис 1.1 Модульная архитектура системы ЧПУ типа PCNC

Геометрическая задача (motion control) ЧПУ является традиционной, однако требования к ней за последние годы изменились. Эти изменения связаны с внедрением общей концепции открытых систем управления, а также с использованием объектно-ориентированной технологии программирования.

В свою очередь геометрическая задача состоит из трёх крупных модулей:

- интерпретатора управляющих программ;

- интерполятора;

- модуля управления следящими приводами.

Последний модуль сильно зависим от типа следящих приводов и способа замыкания позиционных контуров, в то время как для двух первых модулей могут быть предложены инвариантные решения.

1.2 Характеристика алгоритмов интерполяции и цифрового управления

В процессе работы система ЧПУ может решать ряд функциональных задач, среди которых можно выделить главную задачу - преобразование информации, содержащейся в программах и технологических картах, в материальное изделие заданной конфигурации с требуемым содержанием исходных компонентов. Для достижения главной цели система ЧПУ должна выполнять основные функции контроля и управления исполнительными органами станка, одной из которых является интерполирование. Реализуемый в системе метод интерполяции существенно влияет на точность управления, определяет динамические свойства станка и объём вычислительных работ.

Основные функции управления в системах автоматизации технологическим оборудованием могут выполняться в двух основных режимах управления: в режиме комбинированного управления и в режиме прямого цифрового управления. Режим комбинированного управления предполагает наличие в составе системы внешнего по отношению к ЭВМ специализированного оборудования, участвующего в интерполировании или в формировании управляющих воздействий. В режиме прямого управления информация о состоянии объекта управления поступает непосредственно в ЭВМ, на которую полностью возлагается выполнение всех функций, связанных с формированием управляющих воздействий, а внешнее по отношению к ЭВМ оборудование обеспечивает только формирование измерительной информации и усиление выдаваемых из ЭВМ управляющих воздействий до величины, достаточной для управления исполнительными двигателями. Режим прямого управления от ЭВМ позволяет реализовать алгоритмы управления, обеспечивающие минимизацию статических и динамических ошибок управления.

Разрабатываемая система ЧПУ работает в режиме прямого цифрового управления, в которой функции интерполяции полностью возложены на ЭВМ - в нашем случае микроконтролер. На примере системы ЧПУ намоточным станком РПН-Н-500-Ф4 осуществляется только линейная интерполяция, алгоритм которой приведен на рис 1.2.

Рис 1.2 Алгоритм линейной интерполяции значений координат

Структура контура управления рабочими органами намоточного станка

Систему управления рабочими органами намоточного станка предлагается реализовать на базе RISC контроллера фирмы Infineon и представить в виде двух контуров регулирования: внутреннего контура - контура скорости, и внешнего - контура регулирования по углу поворота. Система рассматривается как система подчиненного регулирования, так как регулятор угла создает задающее воздействие для регулятора скорости. Структурная схема СПУ НС приведена на рис. 1.3.

Рис. 1.3 Структурная схема системы числового программного управления исполнительными органами

В систему входят регулятор по углу поворота с передаточной функцией W_pб(z), регулятор по скорости с передаточной функцией W_pщ,корректирующее звено с передаточной функцией W_к(z), объект регулирования с передаточной функцией по скорости вращения щ W_ощ(s) и углу поворота б W_об(s).

Ниже будет рассмотрен порядок выбора типа регуляторов и расчет параметров настройки контуров по скорости и по положению, а также экспериментальное исследование системы числового программного управления исполнительными органами на созданном лабораторном стенде. Для расчета будет использован стандартный метод настройки на технический оптимум.

1.3 Техническая структура лабораторного стенда

1.3.1 Общее описание лабораторного стенда

Лабораторный стенд состоит из системы автоматического регулирования скорости вращения вала двигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов (Дв.1) (рис. 4.1). В качестве нагрузки к двигателю подключены через редуктор нагрузочный двигатель (Дв.2), фотоэлектрический преобразователь (ФЭП), вращающийся трансформатор (ВТ) и шестерни редуктора. Подключенные к редуктору фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) и вращающийся трансформатор (ВТ) выполняют роль датчиков угла поворота б, а тахогенератор ТГ1 - датчика скорости вращения вала двигателя щ. Редуктор состоит из 2-х шестерен с передаточным числом: i_1,2=10. Выходные параметры двигателя Дв.1: направление и скорость вращения вала двигателя изменяются с помощью ШИМ-сигналов, подаваемых с контроллера через усилитель У2. Так же изменяются параметры нагрузочного двигателя Дв.2.

Рис.1.4 Техническая структура лабораторного стенда

Регулирование этих параметров осуществляется с помощью системы автоматического регулирования, представленной на рис.1.5. Это замкнутая система, состоящая из регулятора по углу поворота с передаточной функцией (ПФ) W_pб(z), регулятора по скорости с ПФ W_pщ, корректирующего звена с ПФ W_к(z), объекта регулирования - двигателя Дв.1 с ПФ по скорости вращения щ W_ощ(s) и углу поворота б W_об(s). Система автоматического регулирования (рис.1.5) реализована на контроллере М167-2 фирмы «Каскод» г.Санкт-Петербург. С ЭВМ1 в контроллер по интерфейсу RS-232 передаются:

· задающее воздействие,

· структура системы регулирования,

· воздействие по нагрузке.

Сформированное в контроллере управляющее воздействие подается на двигатель Дв.1 через усилитель У2. Так же подается воздействие на нагрузочный двигатель Дв.2 через усилитель У4, аналогичный У2. Сигналы обратной связи по углу поворота б вала двигателя Дв.1 от ФЭП подаются в контроллер через согласующее устройство У1, а по скорости вращения щ вала двигателя Дв.1 от ТГ1 - через согласующее устройство, входящее в состав усилителя У1. В качестве источников питания используются блоки питания БП1 и БП2.

Рис.1.5 Структурная схема системы регулирования

1.3.2 Схема подключения внешних устройств к контроллеру

Подключение внешних цепей к контроллеру осуществляется с помощью разъёмов. При этом для ввода аналоговых сигналов о скорости вращения двигателей используется внутренний десятиразрядный аналоговоцифровой преобразователь и его порты Р5.1 и Р5.2, а ввод данных о положении, представляющий собой параллельный двоичный код осуществлён через параллельный порт Р2. Для связи привода с контроллером используются так называемый быстрый модуль широтно-импульсной модуляции и его порты Р 7.1 и Р 7.2 для управления двигателями Дв.1 и Дв.2 соответствено.

Рис. 1.6. Схема подключения внешних устройств

ТГ - тахогенератор;

ЭП - электропривод;

ЭД - электродвигатель;

Р - редуктор;

ФЭП 15 - фотоэлектрический преобразователь (датчик угла поворота);

М 167-2 - микроконтроллер Infenion;

Р х.х - параллельные порты микроконтроллера;

Ext x.x - расширенные параллельные порты микроконтроллера;

VD x - светодиоды;

S x - кнопки.

1.4 Постановка задачи дипломного проектирования

Целью дипломного проектирования является создание математического и программного обеспечения стенда для исследования алгоритмов управления исполнительными органами станка.

Основные функциональные возможности лабораторной установки

Возможность задавать следующие варианты структуры САР:

· регулирование скорости вращения щ вала двигателя Дв.1;

· регулирование угла поворота б вала двигателя Дв.1;

· регулирование угла поворота б с локальной обратной связью по скорости щ;

· регулирование угла поворота б с локальной обратной связью по скорости щ и коррекцией по задающему воздействию.

Возможность применения различных типов регуляторов:

· П-регулятор;

· ПИ-регулятор;

· ПИД-регулятор;

Возможность использования различных законов задающего воздействия g:

g= 1[t];

g=*t;

g=(a*tІ)/2;

· кусочно-линейный закон.

Возможность снятия и вывода на экран ЭВМ в графическом виде:

g=g(t) - задающее воздействие;

щ=щ(t) - скорость вращения вала двигателя Дв.1;

= (t) - ошибка регулирования;

= (t) - угол поворота вала двигателя Дв.1;

= (t) - управляющее воздействие.

Задачи, требующие решения в рамках системного проектирования, включают:

· Идентификацию параметров лабораторного стенда.

· Синтез алгоритма управления для контура скорости.

· Синтез алгоритма управления для контура угла поворота.

· Повышение точности отработки угла введением компенсирующих связей по производной от задающего воздействия.

Задачи, требующие решения на этапе инженерного проектирования, включают:

– разработку интерфейса серверной части;

– разработку программного обеспечения верхнего уровня;

– разработку программного обеспечения микроконтролера;

– отладка программного обеспечения.

Основные технические характеристики стенда и исходные данные

Редуктор привода: передаточное отношение 1:10;

Двигатели постоянного тока и тахогенераторы:

Тип двигателя PIVT 6-25/3А;Номинальный момент на валу - 0,1 Нм;Номинальный ток - 3А;Максимальное напряжение - 30 В; Максимальная частота вращения - 3000 об/мин; Характеристика тахогенератора - 3 В/1000 об/мин.

Оптико-электронный датчик угла поворота: Тип ПУФ-ФЭП-15-01Форма представления выходной информации - цифровая, в двоичном коде; Способ выдачи кода - параллельный; Разрядность выходного кода - 15;Разрешающая способность - 20481 дискрет / оборот; Напряжение питания - 50,25 В; Мощность потребления - 6 Вт.

Широтно-импульсный усилитель мощности: Номинальное напряжение питания - 30 В; Максимальный выходной ток - 3 А; Частота управляющего ШИМ сигнала - 2 кГц; Мощность потребления, не более - 2 Вт; Нормирующий усилитель сигнала тахогенератора - радиапазон изменения входного напряжение - 0 - 9 В; диапазон изменения выходного напряжение - 0 - 4,5 В.

Микроконтроллер М-167-2 на базе микропроцессора «Siemens C167»Объем ПЗУ - 256 Кбайт; Объем ОЗУ - 256 Кбайт; Номинальное напряжение питания - 50,2 В; Мощность потребления, не более - 2 Вт; Порт ввода цифровой информации: форма представления входной информации - цифровая, в двоичном коде; разрядность входного кода -15 (параллельный);Порт ввода аналоговой информации: диапазон изменения входного напряжение - 0 - 4,5 В; количество каналов - 3;разрядность выходного кода АЦП - 10;Порт вывода ШИМ сигнала; количество каналов - 2;разрешение ШИМ - 50 нс

Персональная ЭВМ IBM совместимая Pentium 3;Операционная система - Windows 98 CE;Система программирования микроконтроллера М167-2 -Vision 3.0 фирмы Keil.