Система управления многостепенным манипулятором

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна

Система управления многостепенным манипулятором

И.А. Огай, В.Ю. Иванов

Санкт-Петербург, 2019

Аннотация

Ключевые слова: манипулятор, система управления, микроконтроллер, центральный модуль, локальный модуль, абсолютный энкодер, широтно-импульсная модуляция

I.A. Ogay, V.Yu. Ivanov. Multi-join manipulator control system

The microprocessor control system of the multi-join manipulator is considered. The implemented system is hierarchical and has a modular construction principle. It consists of one central control module and several local modules and can be interfaced with a higher - level system. A data transfer protocol has been developed for the interaction of the central module with local modules.

Keywords: manipulator, control system, microcontroller, central module, local module, absolute encoder, pulse width modulation

Рассматриваемая система предназначена для управления многостепенным манипулятором. Рабочая зона промышленного помещения может содержать ограничения на перемещения рабочего органа манипулятора. В таком случае вводят избыточное количество степеней подвижности. Это влечет к усложнению и удорожанию системы управления. Также существует задача управления внешним технологическим оборудованием, взаимодействующим с манипулятором. Предлагается использовать модульный принцип построения системы управления. В каждом конкретном случае будет использовано минимально необходимое количество степеней подвижности манипулятора и внешнего технологического оборудования. Система является иерархической. Состоит из одного центрального модуля и нескольких локальных модулей. Все локальные модули реализованы на общей элементной базе, имеют типовую структуру, алгоритм работы и единый интерфейс. Отличия будут состоять только в мощности электропривода. Технологическое оборудование, предназначенное для взаимодействия с манипулятором, также должно иметь единый с локальными модулями интерфейс.

Рассмотрим работу структурной схемы системы управления манипулятором, которая приведена на рис. 1. Система является многоточечной. Координаты точек позиционирования хранятся в энергонезависимой памяти центрального модуля. Требуемая локальная координата по каждой степени рассчитывается центральным модулем системы управления манипулятором и передается локальным модулям. В разрабатываемой системе управления все приводы имеют вращательные электродвигатели, на валу которых установлены редукторы для понижения частоты вращения и увеличения момента. Датчики положения установлены на выходном валу редуктора. Таким образом, требуемой локальной координатой будет являться угол поворота выходного вала редуктора. Углы поворота выходного вала редуктора хранятся в двоичном коде.

Рис. 1. Структурной схемы системы управления манипулятора HLC - верхний уровень управления; СМ - центральный модуль; LM - локальные модули; ЦАВТ - универсальный асинхронный приемо-передатчик; ТХВ - линии передачи данных; RXD - линии приема данных

Центральный модуль управления, структурная схема которого приведена на рис. 2 взаимодействует с локальными модулями низкого уровня и может взаимодействовать с системой управления более высокого уровня. Он реализован на базе однокристального микроконтроллера семейства AVR ATmega1284P [1]. Данный микроконтроллер имеет 128 Кбайт энергонезависимой памяти программ (FLASH), 4 Кбайт энергонезависимой памяти данных (EEPROM). Объем памяти программ данного микроконтроллера позволяет реализовывать сложные алгоритмы движения, а объем энергонезависимой памяти данных позволяет хранить большое количество точек останова. Наличие двух аппаратных модулей UART позволяет независимо взаимодействовать как с локальными модулями, так и с системой управления более высокого уровня. Алгоритм работы центрального модуля при необходимости может быть изменен путем перепрограммирования микроконтроллера. Клавиатура предназначена для взаимодействия с оператором. На индикаторе отображается процесс выполнения программы. Используется четырех строчный жидкокристаллический индикатор WH1604 [2].

Взаимодействие центрального модуля с локальными модулями, а также с системой управления более высокого уровня осуществляется в асинхронном полнодуплексном режиме. Для этих целей используются аппаратные модули ЦАР.Т. Линии ЯХЭ предназначены для приема данных, ТХЭ для передачи данных. Протокол взаимодействия будет рассмотрен далее.

Рис. 2. Структурная схема центрального модуля управления МС - микроконтроллер; НЬС - верхний уровень управления; ЬМ - локальные модули; ЦАЯТ-универсальный асинхронный приемо-передатчик; ТХЭ - линии передачи данных; ЯХЭ - линии приема данных; Р1 - порт ввода; РО - порт вывода; К - клавиатура; ЬСО - жидкокристаллический индикатор

Каждый локальный модуль управляет одной степенью подвижности манипулятора. Он предназначен для позиционирования звена манипулятора на угол заданный центральным модулем. В состав локального модуля, структурная схема которого приведена на рис. 3, входит однокристальный микроконтроллер, датчик положения, драйвер электродвигателя, электродвигатель, редуктор. Восьми разрядный микроконтроллер семейства АУЯ ATmega32 [3] имеет 32 Кбайт встроенной энергонезависимой памяти программ, 2 Кбайт оперативной памяти и 1024 Кбайт энергонезависимой памяти данных, порты ввода-вывода, а также аппаратные узлы для организации последовательного интерфейса. Цифровой датчик положения ЕМБ22А [4] с последовательным синхронным интерфейсом, имеет угол поворота 360 градусов и разрядность 10 бит. Реверсивный драйвер электродвигателя предназначен для согласования маломощных сигналов линий порта микроконтроллера (максимальный ток 10 мА) с мощной нагрузкой в виде якоря электродвигателя. Электродвигатель постоянного тока с постоянными магнитами преобразует напряжение постоянного тока во вращательное движение. Механический редуктор понижает частоту вращения якоря электродвигателя и увеличивает момент.

Рис. 3. Структурная схема локального модуля управления МС - микроконтроллер; СМ - центральный модуль; БМ - степень подвижности манипулятора; ЦАЯТ - универсальный асинхронный приемо-передатчик; ТХБ - линии передачи данных; ЯХВ - линии приема данных; Т'1 - синхронный интерфейс; PWM - широтно-импульсная модуляция; ЕМБ - драйвер электродвигателя; ЕМ - электродвигатель; Я - редуктор; РБ - датчик положения

Рассмотрим работу локального модуля. Требуемый угол поворота поступает от центрального модуля по асинхронному интерфейсу. Для реализации асинхронного интерфейса в микроконтроллере ATmega32 имеется аппаратный узел универсального приемо-передатчика (ЦАЯТ). Линия ЯХБ предназначена для ввода данных, а линия ТХБ для вывода данных. Протокол взаимодействия центрального модуля с локальными модулями будет рассмотрен ниже. Датчик положения преобразует текущий угол поворота в 10 разрядный двоичный код. Микроконтроллер посредством двухпроводного синхронного интерфейса с заранее заданной периодичностью опрашивает датчик положения. Для этого в микроконтроллере используется аппаратный узел синхронного интерфейса Т'1. Заданный и текущий угол поворота сохраняются в регистрах общего назначения. Вычисляется рассогласование между заданным и текущим углом поворота. В соответствии с выбранным законом управления рассчитывается управляющее воздействие, которое характеризует частоту вращения электродвигателя. В качестве управляющего воздействия на электродвигатель подается напряжение постоянного тока. Для преобразования двоичного кода в напряжение постоянного тока использована широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Принцип действия широтно-импульсной модуляции поясняет рис. 4 [5].

Рис. 4. Принцип действия широтно-импульсной модуляции

микропроцессорный модульный многостепенный манипулятор

В соответствии с рис. 4, формируется фиксированный интервал времени Т, в течение которого значение сигнала может принимать как единичное, так и нулевое значение. В результате этого формируются импульсы напряжения с периодом Т и длительностью Т.

Частота импульсов определяется выражением:

где f - частота следования импульсов; Т - период следования импульсов.

Отношение периода Т к длительности импульса Т называется скважностью:

где 5 - скважность импульсов;

Т - период следования импульсов;

Т - длительность импульса.

Последовательность симметричных импульсов, у которых скважность равна двум, называют Меандр.

Обратная величина к скважности называется коэффициент заполнения:

где В - коэффициент заполнения;

Т - длительность импульса;

Т - период следования импульсов.

Микроконтроллер ATmega32 содержит аппаратный узел широтно-импульсного модулятора, реализованного на базе 16 разрядного таймера. Период следования импульсов Т и их длительность Т задаются в виде констант в специальных регистрах. Для получения аналогового сигнала пропорционального скважности, на выход широтно-импульсного модулятора подключают сглаживающий фильтр. В нашем случае сглаживающий фильтр не нужен, так как к выходу ШИМ подключается обмотка электродвигателя постоянного тока, обладающая индуктивностью, которая сглаживает сигнал ШИМ.

Сопряжение центрального и локальных модулей осуществляется при помощи полнодуплексного асинхронного интерфейса. Организуются два направления передачи данных. Для этого используется двухпроводная линия. Одна линия предназначена для передачи информации от центрального модуля (Master) к локальныммодулям (Slave). В этом случае линия TXD мастера подключается к линиям (RXD) локальных модулей. Другая линия предназначена для передачи информации от локальных модулей (Slave) к центральному модулю (Master). В этом случае все линии TXD локальных модулей подключаются к линии RXD мастера параллельно (смотри рис. 1). Параметрами, настраиваемыми для сопряжения центрального и локальных модулей, является скорость передачи данных, количество передаваемых бит и количество стоповых бит. Используются стандартные скорости передачи данных. Скорость передачи может варьироваться, но количество передаваемых бит равно восьми, а количество стоповых бит равно двум. Для улучшения помехоустойчивости к линиям TXD и RXD подключаются микросхемы шинных формирователей, формирующие дифференциальные сигналы. Это позволяет исключить влияние синфазных помех.

Рассмотрим протокол взаимодействия между центральным модулем и локальными модулями. Используется пакетная передача данных. Пакет данных включает в себя ряд полей:

HEADR_0 - 1 заголовок;

HEADR_1 - 2 заголовок;

ID - идентификатор подчиненного (Slave) модуля;

INSTRUCTION - код команды;

H_DATA - поле параметров старшей части позиции;

L_DATA - поле параметров младшей части позиции;

CR - контрольная суммы (CR).

Пакеты передаются как от главного устройства (Master) к подчиненному (Slave), так и от подчиненного (Slave) устройства к главному (Master). Примеры команд приведены в таблице 1.

Каждый байт заголовков HEADR_0 и HEADR_1 имеет код $FF (все единицы) и предназначен для синхронизации между собой модулей UART приемника и источника. Поле идентификатора подчиненного модуля (ID) имеет один байт и может быть использован для адресации 256 устройств.

Таблица 1

Примеры команд

Поле команды (INSTRUCTION) также имеет разрядность один байт. В случае модификации системы управления максимальное количество команд может равняться 256. Параметром в пакете данных является позиция, которая определяется углом поворота. Данные поля параметров передаются в виде двух байт, старшая часть (H_DATA) и младшая часть (L_DATA). Дискретность установки позиции составляет 0,5 градуса. Формат поля данных позиции поясняет рис. 5. Контрольная сумма вычисляется по следующему правилу. Суммируются значения следующих полей: ID, INSTRUCTION, H_DATA, L_DATA. Из полученной суммы используется только младший байт. Над содержимым младшего байта выполняется операция инверсии. Подученное значение записывается в поле контрольной суммы CR.

Для примера, структура команды «Требуемая позиция» для локального модуля с ГО = 0, и углом поворота 2,5 градуса приведена в таблице 2.

Каждый локальный модуль имеет свой индивидуальный адрес. Взаимодействие центрального модуля с локальными модулями осуществляется следующим образом.

Таблица 2

Пример команды «Требуемая позиция»

Центральный модуль управления по линии передатчика (TXD) отправляет команду «Целевая позиция» локальному модулю. В этой команде указывается номер локального модуля (ID), код команды (INSTRUCTION) и целевая позиция в угловых координатах. Данными в этой команде является целевая позиция. Данные передаются в виде двух байт, старшая часть (H_DATA) и младшая часть (L_DATA). Все локальные модулю одновременно получают эту команду по линии приемника (RXD). В локальных модулях происходит проверка целостности принятой информации. Для принятого пакета данных рассчитывается контрольная сумма (CR) и сравнивается с контрольной суммой, содержащейся в пакете. В случае, если контрольные суммы совпадают, локальные модули сравнивают идентификатор (ID) номера модуля указанный в пакете со своим номером. Тот локальный модуль, идентификатор которого совпал, готов подтверждает получение команды. Подтверждение получения команды «Целевая позиция» локальный модуль выполняет, используя команду «Подтверждение приема». В этой команде он указывает свой идентификатор (ID) и дублирует полученную целевую позицию.

Учитывая, что все локальные модули подключены на одну линию передачи данных TXD, одновременно выставлять данные на линию TXD может только один локальный модуль. Таким образом, процесс передачи данных от локальных модулей к центральному модулю, инициирует центральный модуль. Он поочередно опрашивает модули и сравнивает их текущие координаты с заданными. Для опроса текущих координат используется команда «Запрос текущей позиции». В случае если локальный модуль не отвечает, центральный модуль повторяет опрос. Если на заранее заданное количество запросов не поступает ответа, то формируется сигнал ошибки и формируется сообщение обслуживающему персоналу. Количество запросов до формирования сигнала ошибки может варьироваться.

Список литературы

1. Компания по производству микроэлектроники «Microchip Technology». МикроконтроллерATmega1284P

2. Компания по производству дисплеев «WinstarDisplay». Жидкокристаллический индикатор WH1604

3. Компания по производству микроэлектроники «Microchip Technology» - Микроконтроллер ATmega32.

4. Компания по производству электроники «Bourns». Цифровой датчик положения EMS22A.

5. Иванов В.Ю., Маежов. Е.Г., Логинов В. В. Сопряжение однокристальных микроконтроллеров с датчиками и исполнительными механизмами: учебное пособие. СПб: СПбГПУТД, 2016. 100 с.

References

1. Kompanya po proizvodstvu mikroelektroniki «Microchip Technology». MikrokontrollerATmega1284P

2. Kompanya po proizvodstvu displeev «Winstar Display». Zhidkokristallicheskiy indicator WH1604module/lcd-16x4.html [Display company «Winstar Display».Liquid crystal indicator WH1604.]. (date accessed: 02.04.2019)

3. Kompanya po proizvodstvu mikroelektroniki «Microchip Technology». MikrokontrollerATmega32 [Microelectronics company «Microchip Technology». Microcontroller ATmega32]. (date accessed: 02.04.2019)

4. Kompanyapoproizvodstvuelektroniki «Bourns». Cifrovoy datchik polozheniya EMS22A

5. Ivanov V.U., Maezhov E.G., Loginov V.V. Sopryazhenie odnokristal'nyh mikrokontrollerov s datchikami i ispolnitel'nymi mehanizmami: uchebnoe posobie [Pairing single-chip microcontrollers with sensors and actuators: text book]. St. Petersburg: SPGUPTD, 2016. 100 pp. (in Rus.)

Размещено на allbest.ru