Instrukcja do cwiczenia Sterowanie napedem pozycjonujacym z

Instrukcja do cwiczenia Sterowanie napedem pozycjonujacym z

Instrukcja do cwiczenia
Sterowanie napedem pozycjonujacym z silnikiem pradu
stalego na przykladzie robota przemyslowego IRb-6
1. Manipulator IRb-6
Manipulator IRb-6 zostal wyprodukowany przez firme ASEA. Rysunek 1 przedstawia
szkic tego manipulatora. Jest to robot o pieciu stopniach swobody. Napedzany jest przez
serwonapedy pradu stalego o napieciu zasilania 30V i pradzie maksymalnym 7A. Tak niskie
napiecie zasilania umozliwia zbudowanie czlonu mocy z popularnych i tanich elementów
pólprzewodnikowych, takich jak tranzystory MOSFET niskiego napiecia. Wada takiego
rozwiazania sa dosc duze prady sterujace, powodujace duze przepiecia w ukladzie mocy.
Mechanicznie konstrukcja jest oparta jest na srubowych przekladniach tocznych i dzwigni
przenoszacych moment napedowy. Calosc jest skonstruowana tak, aby niwelowac powstajace
podczas eksploatacji luzy mechaniczne.
Rys.1. Szkic jednostki kinematycznej robota przemyslowego IRb-6
gdzie:
1. przegub, 2. ramie górne, 3. ramie dolne, 4. korpus obrotowy, 5. podstawa, 6. przekladnia
srubowa toczna ruchu φ 2, 7. przekladnia srubowa toczna ruchu φ 3 , 8. naped ruchu φ 5, 9.
naped ruchu φ 4, 10. naped ruchu φ 2, 11. naped ruchu φ 3
12. naped ruchu φ 1
Na podstawie (5) umieszczony jest korpus obrotowy (4), do tego korpusu mocowane jest
ramie dolne (3), a do niego ramie górne (2) - do konca ramienia górnego przymocowany jest
przegub (1). Do przegubu mocowane byc moga chwytaki (ze sztywnymi koncówkami
chwytnymi, podcisnieniowe lub elektromagnetyczne) albo glowice technologiczne (np.
zgrzewadlo, pistolet natryskowy, palnik do spawania lukowego), a w szczególnych
przypadkach - obrabiany przedmiot (np. przy polerowaniu, gdy tasma polerska zainstalowana
jest obok robota, lub w jego najblizszym sasiedztwie). Poszczególne zespoly umozliwiaja
realizowanie nastepujacych ruchów robota:
•
•
•
•
•
obrót wokól osi pionowej, kat φ 1
pochylenie ramienia dolnego, kat φ 2
pochylenie ramienia górnego, kat φ 3
pochylenie przegubu, kat φ 4
obrót przegubu, kat φ 5
Naped ruchu obrotowego f1 umieszczony jest w podstawie manipulatora, a napedy
pozostalych ruchów zamontowane sa na obrotowym korpusie. Naped wszystkich ruchów
realizowany jest przy pomocy silników elektrycznych.
Obrót korpusu (φ 1) realizowany jest za pomoca przekladni falowej. Pochylenie ramienia
dolnego (φ 2) odbywa sie na skutek przemieszczenia przekladni srubowej tocznej
(przekladnia zamocowana jest na korpusie i przegubowo do dzwigni przytwierdzonej do
ramienia). Pochylenie ramienia górnego (φ 3), lozyskowanego obrotowo w górnej czesci
ramienia dolnego, realizowane jest przez uklad: silnik - przekladnia srubowa toczna - uklad
dzwigniowy (do nakretki przekladni zamocowane sa przegubowo dwa prety, które wraz z
ramieniem dolnym i czescia ramienia górnego tworza równoleglobok). Pochylenie przegubu
(φ 4) realizowane jest przez uklad napedowy, którego os znajduje sie w punkcie obrotu
ramienia dolnego - z tego punktu za pomoca zespolu pretów i tarcz obrotowych
przekazywane jest przemieszczenie na umieszczona na koncu ramienia górnego tarcze,
polaczona z piasta przegubu. Czlon ramienia dolnego jest zamocowany obrotowo w
ulozyskowanym wsporniku korpusu. Naped ruchu φ 2 czlonu dolnego ramienia, zlozony z
zespolu silnika i przekladni srubowej tocznej, jest sztywno przytwierdzony do korpusu. Ruch
przekladni jest przekazywany do czlonu dolnego ramienia za pomoca dzwigni ulozyskowanej
w przekladni i przytwierdzonej do ramienia. Obrót przegubu (φ 5) realizowany jest
analogicznie jak pochylenie przegubu za pomoca zespolu pretów i tarcz obrotowych, z
których ostatnia polaczona jest z przekladnia katowa (luz w przekladni jest nastawialny i
moze byc kasowany w celu zwiekszenia dokladnosci). Zakres przemieszczen poszczególnych
zespolów robota IRb-6 jest wyznaczony mechanicznymi ogranicznikami krancowymi - jezeli
na skutek bledu sterowania wymuszane jest przemieszczenie poza obszar pracy
któregokolwiek z zespolu, to ruch zatrzymywany jest na ograniczniku. Do tarczy przegubu na
koncu ramienia górnego mocowane byc moga chwytaki lub narzedzia technologiczne.
2. Resolwer
W robocie IRb-6, urzadzeniami realizujacymi funkcje czujników polozenia kazdej osi sa
resolwery. Resolwer jest urzadzeniem bardzo dokladnym, stosowanym od lat w
zastosowaniach wymagajacych bezwzglednego pomiaru polozenia i predkosci. Wspólczesne
rozwiazania resolwerów oferuja konstrukcje przeznaczone do pracy w najrózniejszych
warunkach, w bardzo szerokim zakresie predkosci obrotowych, oraz temperatur. Najlepsze
urzadzenia sa bardzo kosztowne, w zamian jednak oferuja swietne parametry uzytkowe.
Zasada dzialania resolwera oparta jest na transformatorze obrotowym, którego pierwotne
uzwojenie zasilane jest napieciem sinusoidalnym o stalych parame trach, natomiast dwa
uzwojenia wtórne dostarczaja sygnalów (sinus oraz cosinus) o parametrach proporcjonalnych
do aktualnej pozycji katowej walu. Sygnaly te nastepnie sa poddawane przetworzeniu A/C,
które ma na celu wyekstrahowanie numerycznej wartosci polozenia, predkosci z obu
sygnalów wyjsciowych urzadzenia. Rysunek 1 przedstawia zasade dzialania resolwera.
Rys.1. Zasada dzialania resolwera
Sygnal sinusoidalny zasilajacy resolwer w praktyce ma czestotliwosc od kilkuset herców
do okolo 20 kHz. Dolna granica podyktowana jest tym, ze okres trwania sygnalu zasilajacego
musi byc zdecydowanie mniejszy niz czas obrotu osi resolwera. Górna granica wynika z
wlasciwosci magnetycznych uzywanych materialów, które musza spelniac wiele róznych
wymagan natury mechanicznej jak i magnetycznej.
Równanie (1) opisuje sygnal zasilajacy resolwer.
U O (t ) = uO ⋅ sinϖ ref t
(1)
gdzie :
u0 - amplituda napiecia zasilajacego resolwer
ϖ ref - czestotliwosc napiecia zasilajacego resolwer
t – czas
Rysunek 2 przedstawia sygnaly wyjsciowe resolwera po 2 pelnych obrotach walu.
Równania (2) opisuja te przebiegi.
Rys.2. Sygnaly na uzwojeniach wyjsciowych resolwera.
U 2 (ε , t ) = kuO ⋅ cos ε ⋅ sin ϖ ref t
gdzie :
u0 - amplituda napiecia zasilajacego resolwer
ϖ ref - czestotliwosc napiecia zasilajacego resolwer
t – czas
k –staly wspólczynnik zwiazany z przekladnia transformatorowa resolwera
U1 (t) – sygnal z pierwszego uzwojenia wtórnego resolwera
U2 (t) – sygnal z drugiego uzwojenia wtórnego resolwera
(2)
Aby wyznaczyc wartosc chwilowa kata obrotu walu, uklad cyfrowy przetwarzajacy te
sygnaly, musi wykonac obliczenia zgodnie z równaniami (3).
u1 ( n )

arctan(
)

u2 (n)

ε (n ) = 
π + arctan( u 1 (n ) )

u 2 (n )
dla u2 < 0
(3)
dla u2 >= 0
Wykonanie takich obliczen w czasie rzeczywistym, z dobra dokladnoscia, wymaga
znacznej mocy obliczeniowej, zwlaszcza, gdy uklad ma wiecej zadan do wykonania, jak na
przyklad generowanie przebiegów sterujacych silnikiem pozycjonowanym przez resolwer.
Dlatego zadanie takie powierza sie bardzo wydajnym procesorom sygnalowym, badz tez
specjalizowanym ukladom przeznaczonym do wspólpracy z resolwerem. W ukladzie
sterowania robotem IRb-6 zastosowano scalone przetworniki polozenia sygnalów resolwera
typu AD2S90, produkowane przez Analog Devices.
W robocie IRb-6 firmy ASEA zastosowano na kazdym z serwonapedów po jednym
resolwerze typu HAROSYN-RW firmy Harowe Servo Controls. Jest to resolwer typu
bezwzglednego (jeden okres sygnalu na jeden obrót walu), przeznaczony do pracy z
czestotliwoscia 2500 Hz. Uzwojenie pierwotne zasilane jest przeznaczone do pracy przy
napieciu 6V, dajac na uzwojeniach wtórnych napiecie 12V. Resolwery te charakteryzuja sie
malym momentem bezwladnosci, oraz duza dopuszczalna predkoscia obrotowa – 3000
obr/min. Jest to wartosc zdecydowanie przekraczajaca najwyzsze predkosci obrotowe
silników w robocie IRb-6.
Instrukcja do cwiczenia
1. Cel cwiczenia
Celem cwiczenia jest zapoznanie sie z mozliwoscia sterowania silnikiem wykonawczym
pradu stalego z wykorzystaniem metody modulacji szerokosci impulsów MSI (PWM) na
przykladzie napedu pozycjonujacego manipulatora IRb-6.
Przed przys tapieniem do cwiczenia nalezy przypomniec sobie istote sterowania za pomoca
zmiany wypelnienia impulsów, podstawowe przebiegi dla obciazenia indukcyjnego. Ponadto
nalezy zdawac sobie sprawe z zagrozen na jakie jest narazony czlowiek w poblizu
manipulatora. Pracujac na stanowisku nalezy zachowac bardzo duza ostroznosc.
2. Budowa sterownika dwóch osi robota IRb-6
Generator sin(t)
mostek Wiena
[TL074]
Resolwer
1
Resolwer to
digital
[AD2S90]
Resolwer
2
Mikrokontroler
[AT90S8535]
Resolwer to
digital
[AD2S90]
Komputer PC
RS232
Driver mostka H
[IR2130]
Driver mostka H
[IR2130]
Mostek H
[4 x IRF540N]
Mostek H
[4 x IRF540N]
Konwerter
RS232 C <>
RS232
[MAX232]
Zasilacz mocy
Gdzie:
M
M
Polaczenie mechaniczne
Obwody duzej mocy
Obwody sterujace
Sterownik manipulatora zostal opracowany w postaci polaczonych ze soba modulów.
Taka budowa ulatwia modyfikacje uk ladu, które w przypadku prototypu sa dosc czeste.
Centralnym elementem sterownika jest mikrokontroler. Kolejnym waznym blokiem jest uklad
przetwornika Resolver to digital. W tym elemencie nastepuje konwersja analogowego sygnalu
dostarczonego przez resolwer, na postac numeryczna, która wysylana jest do mikrokontrolera.
Bloki driverów pozwalaja na przygotowanie sygnalu logicznego z mikrokontrolera do
wysterowania kluczy MOSFET. Poza tym stanowia bariere optoizolacyjna, chroniaca
mikrokontroler przed skutkami ewentualnej awarii w bloku mocy. Ostatnimi elementami sa
dwa mostki H wykonane z tranzystorów MOSFET wraz z ukladem zasilajacym. To wlasnie
mostek H na podstawie sygnalów sterujacych generuje wymuszenie pradowe na silnikach
wykonawczych.
3. Zapoznanie sie z oprogramowaniem kontrolnym
Oprogramowanie kontrolne przygotowane zostalo w postaci dwóch programów:
edytora oraz kontrolera sterownika. Pierwszy sluzy do przygotowanie trajektorii dla
manipulatora. Pozwala na zapisanie wyników pracy do pliku tekstowego, w którym w postaci
jawnej sa podane kolejne wspólrzedne dla manipulatora.
Przykladowa zawartosc pliku zapisanego przez program:
4954x156yaz;
7745x311yaz;
7745x845yaz;
12907x349yaz;
2443x609yaz;
Kolejny program sluzy do nawiazania komunikacji z robotem, realizacji
przygotowanych trajektorii, oraz do manualnej kontroli pozycji napedu. Program posiada
kontekstowa pomoc, pojawiajaca sie po wskazaniu wybranego elementu, opanowanie jego
obslugi jest bardzo proste i intuicyjne. W celu zapoznania sie z programem mozna uruchomic
go bez podlaczenia sterownika.
4. Uruchomienie komunikacji i pozycjonowanie manipulatora.
Po uruchomieniu programu, polaczeniu wszystkich przewodów sterownika i
manipulatora nalezy w pierwszej kolejnosci zasilic sterownik napieciem sieciowym. Pozwoli
to na rozpoczecie pracy mikrokontrolera zanim czesc mocy znajdzie sie pod napieciem
roboczym. Nastepnie nalezy wlaczyc zasilanie czesci mocy za pomoca przelacznika na
obudowie. Po tym mozna rozpoczac komunikacje komputera ze sterownikiem. Program
domyslnie konfiguruje parametry komunikacji zgodnie z wymaganiami sterownika, zatem nie
ma potrzeby ingerowac w te ustawienia.
Jak wiekszosc systemów pozycjonujacych, tak i ten po zalaczeniu zasilania wymaga
dokonania pozycjonowania w celu okreslenia pozycji bezwzglednej. W tym celu nalezy
wybrac przycisk [pozycjonuj] z panelu glównego programu. Robot powinien teraz dojechac
obiema osiami do kranców, po czym zatrzymac sie. Od teraz jest gotowy do realizacji
trajektorii zgodnie z zadaniami komputera nadrzednego.
5. Praca z manipulatorem
Aby poznac mozliwosci manipulatora nalezy rozpoczac od pracy z tzw. „pilotem”.
Jest to czesc programu, w której mamy do dyspozycji kontrolki najwazniejszych parametrów
manipulatora, oraz mozliwosc recznego sterownia pozycja obu osi. Nalezy zapoznac sie z
wszystkimi funkcjami tego okna. Ciekawym elementem jest mozliwosc przelaczenia
sterownika w tryb kluczowania 3kHz, jednak ze wzgledu na zdecydowanie wieksze prady
plynace w mostku, taka praca jest dopuszczalna tylko w krótkich odcinkach czasu (do 1
minuty). Przebiegi nalezy obserwowac na oscyloskopie dolaczonym do gniazd
zainstalowanych na obudowie sterownika. Mozna obserwowac sygnal sterujacy oraz sygnal
mocy, wprost z klucza MOSFET. Mozliwosc zmiany czestotliwosci wprowadzona zostala, by
pokazac jak bardzo duzy wplyw na prace ukladu ma czestotliwosc kluczowania. Nalezy
zdawac sobie sprawe, ze kilka lat temu taka czestotliwosc pracy byla najwyzsza mozliwa do
uzyskania w urzadzeniach duzych mocy.
Po zapoznaniu sie z praca manualna programu, oraz mozliwosciami ukladu pozycjonujacego,
mozna rozpoczac tryb pracy z plikami. W tym celu nalezy uruchomic program Edytor.
Pozwala na przygotowanie pliku trajektorii manipulatora. Po uruchomieniu, za pomoca
suwaków nalezy wybrac zadana pozycje manipulatora, po czym nalezy zaakceptowac
wybrane wspólrzedne za pomoca przycisku [Akceptacja]. W oknie programu pojawi sie nowa
linijka z wybranymi koordynatami. Przed zamknieciem programu nalezy wyniki pracy
zapisac na dysku. Przygotowany plik mozna teraz przeslac do sterownika. Aby tego dokonac
wybieramy przycisk [Wczytaj i wyslij] z panelu glównego programu komunikacyjnego.
Program rozpocznie wysylanie kolejnych wspólrzednych, oczekujac na potwierdzenie
osiagniecia pozycji zadanej.
Po zakonczeniu cwiczenia, nalezy pamietac o wlasciwej kolejnosci wylaczania
sterownika. Najpierw wylaczamy zasilanie czesci mocy (24V) za pomoca wylacznika na
panelu przednim urzadzenia, nastepnie wylaczamy sterownik z sieci zasilajacej. Tylko taka
kolejnosc wylaczania zapobiega niekontrolowanym dzialaniom mostka mocy.