Разработка системы управления роботом

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Промышленные роботы применяются в промышленном производстве и научных исследованиях. В большинстве случаев под промышленным роботом подразумеваются автоматические программно-управляемые манипуляторы, выполняющие рабочие операции со сложными пространственными перемещениями.

Основными задачами промышленных роботов являются перемещение массивных или крупногабаритных грузов, точная сварка, покраска, а также сортировка продукции.

Манипулятор промышленного робота имеет от 2-х до 6-ти степеней свободы и может перемещать грузы до нескольких сот килограммов в радиусе до нескольких метров.

Промышленные роботы пригодны для использования во многих отраслях производства. При снижении стоимости промышленных роботов они становятся доступны не только крупным заводам, но и средним предприятиям, занимающимся производством. На многих предприятиях России промышленные роботы внедряются в производство.

Тенденция увеличения парка промышленных роботов в современном производстве обусловлена рядом объективных факторов. Как правило, это увеличение производительности труда при сохранении высокого качества продукции и возможность быстрого реагирования на изменения объектов производства и потребительского рынка.

Серьезными стимулами роста инвестиций в производство и применение промышленных роботов являются:

- непрерывное снижение стоимости промышленных роботов на фоне роста стоимости рабочей силы;

- недостаток квалифицированной рабочей силы;

- освобождение работающих на производстве от тяжелого, интенсивного и монотонного труда;

- возможность улучшения экологической обстановки и снижения вредного влияния производства, особенно сварочного, на здоровье производственного персонала;

- повышение точности выполнения технологических операций и, как следствие, улучшение качества;

- возможность использования технологического оборудования в три смены 365 дней в году;

Промышленный робот может непосредственно подчиняться командам оператора, работать по заранее составленной программе либо следовать набору общих указаний с помощью технологии искусственного интеллекта.

Электрический привод (сокращенно - электропривод) - это электромеханическая система для приведения в движение исполнительных механизмов рабочих машин и управления этим движением в целях осуществления технологического прогресса.

Современный электропривод - это совокупность множества электромашин, аппаратов и систем управления ими. Он является основным потребителем электрической энергии (до 60 %) и главным источником механической энергии в промышленности.

Двигатели разделяют на виды:

- Нерегулируемые, простейшие, предназначенные для пуска и остановки двигателя, работающие в односкоростном режиме;

- Регулируемые, предназначенные для регулирования частоты вращения и управления пуском и торможением электродвигателя для заданного технологического процесса;

-Неавтоматизированные;

-Автоматизированные.

Автоматизированный электропривод в настоящее время получил широкое применение во всех сферах жизни и деятельности общества - от сферы промышленного производства до сферы быта.

Современный электропривод содержит в своем составе систему автоматического управления, которая в простейших случаях осуществляет пуск, отключение двигателя и его защиту, а в более сложных управляет технологическим процессом приводимого в движение механизма. Характерная тенденция в развитии современного машиностроения и производства - упрощение кинематических цепей механизмов при усложнении и совершенствовании систем управления их электроприводами. Происходит постоянное расширение области применения регулируемого электропривода, главным образом за счет количественного и качественного роста регулируемых электроприводов переменного тока.

Рост степени интеграции в микропроцессорной технике и переход от микропроцессоров к микроконтроллерам с встроенным набором специализированных периферийных устройств, сделали необратимой тенденцию массовой замены аналоговых систем управления приводами на системы прямого цифрового управления. Под прямым цифровым управлением понимается не только непосредственное управление от микроконтроллера каждым ключом силового преобразователя (инвертора и управляемого выпрямителя, если он есть), но и обеспечение возможности прямого ввода в микроконтроллер сигналов различных обратных связей (независимо от типа сигнала: дискретный, аналоговый или импульсный) с последующей программно-аппаратной обработкой внутри микроконтроллера. Таким образом, система прямого цифрового управления ориентирована на отказ от значительного числа дополнительных интерфейсных плат и создание одноплатных контроллеров управления приводами.

Регулирование скорости - это принудительное изменение скорости электропривода, в зависимости от требований технологического процесса.

Регулирование угловой скорости двигателя постоянного тока может осуществляться несколькими способами:

1. Регулирование с помощью сопротивления в цепи якоря. Этот способ применяется при невысоких требованиях к показателям качества регулирования скорости, отличаясь в то же время универсальностью и простотой реализации.

2. Регулирование изменением магнитного потока. Находит широкое применение в ЭП вследствие простоты его реализации и экономичности, так как регулирование осуществляется в относительно маломощной цепи возбуждения двигателя и не сопровождается большими потерями мощности.

3. Регулирование изменением напряжения якоря. Изменение частоты вращения происходит в сторону уменьшения от основной, т.к. напряжение, прикладываемое к якорю, в большинстве случаев, может изменяться тоже только вниз от номинального. Плавность регулирования определяется плавностью изменения питающего напряжения.

4. Импульсное регулирование. На двигатель с помощью импульсного прерывателя периодически подаются импульсы напряжения определенной частоты. В период времени t, когда электронный ключ замкнут, питающее напряжение U подается полностью на якорь двигателя, и ток через него увеличивается. Когда электронный ключ разомкнут, с якоря снимается питающее напряжение. При этом ток якоря уменьшается. Период Т примерно в два раза меньше постоянной времени цепи якоря. Поэтому за время импульса t ток в двигателе не успевает возрасти, а за время T-t уменьшится. Среднее значение напряжения, подаваемого на обмотку якоря:

Ua=Ucp=U/T=бT,

где б=t/T коэффициент регулирования напряжения. Среднее напряжение Ucp, подаваемое на двигатель, регулируют путем изменения либо продолжительности периода Т между подачей управляющих импульсов на электронный ключ при t=const (частотно-импульсное регулирование), либо путем изменения времени t при T=const (широтно-импульсное регулирование). Используют также комбинированное регулирование, при котором изменяется как Т, так и t.

Целью данной выпускной бакалаврской работе является разработка системы управления промышленным роботом. Требуется обеспечить управление двигателем постоянного тока, приводящим робот в движение, с персонального компьютера.

Для выполнения поставленной задачи необходимо:

- определить какие управляющие элементы будут использоваться в данной выпускной бакалаврской работе;

- выбрать принцип управления двигателем постоянного тока;

- выбрать и рассчитать электрические элементы, требуемые для корректной работы устройства управления двигателем постоянного тока;

- разработать алгоритм и программу системы управления двигателем постоянного тока для управляющих элементов;

- спроектировать и спаять плату системы управления двигателем постоянного тока.

По предложению технического руководителя необходимо выбрать следующие управляющие звенья: программируемый логический контроллер ОВЕН ПЛК 150УL и микроконтроллер MSP430C1101 для формирования управляющего сигнала с ШИМ, и помимо этих звеньев для визуализации проекта микроконтроллер PIC16F628A.

Управление двигателем постоянного тока будет осуществляться по следующему принципу:

- оператор на персональном компьютере, к которому через интерфейс RS-232 был подключен программируемый логический контроллер, будет увеличивать или уменьшать частоту вращения двигателя, подавая управляющий сигнал, характеризующий изменение значения скважности ШИМ;

- этот сигнал будет подаваться на микроконтроллер PIC16F628A, обрабатываться и передаваться на микроконтроллер MSP430C1101;

- во время передачи сигнала на MSP430C1101 будут загораться светодиоды, сигнализирующие о передаче данных;

- в зависимости от управляющего сигнала на MSP430C1101 будет изменяться длительность рабочего импульса (скважность сигнала), сформированного модулем таймера Timer_A. Сигнал с ШИМ подается на драйвер, который управляет двигателем постоянного тока. При необходимости может быть включен режим реверса. Так как будет изменяться скважность сигнала управления, то будет изменяться и средняя мощность, подаваемая на двигатель, что и определит скорость вращения двигателя постоянного тока.

- к двигателю будет подключен фотоимпульсный датчик, соединенный с ОВЕН ПЛК 150УL. Программное обеспечение ПЛК будет организовано так, что при движении с каждым изменением входного сигнала происходит прибавление "1" в счетчике. Таким образом, в ОВЕН ПЛК 150УL будет накапливаться значение, пропорциональное пройденному расстоянию робота.

Помимо этого, для тестирования интерфейса RS-232 и протокола UART, будет разработан алгоритм и программа для связи персонального компьютера с микроконтроллером PIC16F628A через приемопередатчик MAX232. При каждом сбросе микроконтроллера управляющая программа будет передавать на персональный компьютер строку ASCII символов.

1. Разработка устройства управления двигателем постоянного тока

1.1 Разработка схемы электрической принципиальной

Электрическая принципиальная схема блока управления шаговым двигателем приведена в графической части бакалаврского проекта

Электрическая схема состоит из:

- конденсаторов - С1 … С4;

- микросхем - DD1 … DD4;

- резисторов - R1 … R9;

- диодов - VD1 … VD6;

- транзисторов - VT1…VT4;

- различных разъёмов - XP1 … XP3.

Электрическая принципиальная схема практической части блока управления шаговым двигателем приведена в графической части бакалаврского проекта

Электрическая схема состоит из:

- конденсаторов - С1 … С7;

- микросхем - DD1 … DD3;

- резисторов - R1 … R2;

- диодов - VD1 … VD2;

- различных разъёмов - XP1 … XP3.

1.2 Разработка печатной платы

Разработка конструкции блока управления двигателем постоянного тока осуществляется на основе разработанной принципиальной электрической схемы с учетом требований к ремонтопригодности, требований технической эстетики, с учетом условий эксплуатации и других требований.

При конструировании печатной платы учитывалось следующее:

- печатная плата (ПП) разработана прямоугольной формы размерами 106х162 мм. Толщина ПП, равная 1,5 мм, соответствует одному из чисел ряда: 0.8; 1.0; 1.5; 2.0;

- разработка платы спроектирована, ориентируясь на конкретный промышленный процесс ее изготовления;

- центры отверстий расположены в узлах координатной сетки. Каждое монтажное и переходное отверстие охвачено контактной площадкой;

- диаметр крепежных отверстий 5 мм. Диаметр монтажных отверстий 0,8 мм. Шаг координатной сетки составляет 2,54 мм;

- в качестве материала припоя выбран ПОС-61 для пайки элементов. Материал платы стеклотекстолит фольгированный СТЭФ 3-1,5-50 по ГОСТ 10316-86. Плата состоит из 3-х слоёв;

- кроме того, предусмотрена раздельная прокладка цифровой и аналоговой земли;

- внутренний слой предназначен для заземления электротехнических элементов печатной платы.

1.3 Разработка сборочного чертежа

В ходе разработки сборочного чертежа было уделено внимание следующим требованиям:

- разработка сборочного чертежа блока управления двигателем постоянного тока осуществлялась на основе разработанной принципиальной электрической схемы с учетом требований к чертежным документам;

- в соответствии со схемой деления изделия на составные части присвоено обозначение сборочной единице и ее элементам по ГОСТ 2.201-68;

- проставлены необходимые размеры согласно требованиям ГОСТ 2.109-73;

- заполнена спецификация, выдерживая основные требования ГОСТ 2.108-68;

- нанесены номера позиций деталей в соответствии с номерами, проставленными в спецификации на данное изделие;

- заполнена основная надпись и указаны технические требования.

1.4 Выбор элементов системы управления

Широтно-импульсная модуляция позволяет управлять как маломощными, так и мощными двигателями. При этом схема управления не изменяется, меняются только силовые ключи в схеме H-моста. Это является несомненным преимуществом такого способа регулирования. Для управления двигателем разработано множество драйверов H-моста. Функции драйвера сводятся к своевременному открыванию и закрыванию определенных транзисторов H-моста. На входе драйвера, как правило, должен быть ШИМ - сигнал.

Данная структурная схема отображает работу устройства, где главным управляющим элементом является микроконтроллер (MSP430C1101), он выдает управляющий сигнал с ШИМ, который передается на драйвер HIP4802. Этот драйвер в свою очередь подключает двигатель постоянного тока. В качестве объекта управления использован двигатель постоянного тока ESCAP 35NT2R32. Благодаря интерфейсу связи появляется возможность удалённого управления. В данной выпускной бакалаврской работе выбраны интерфейс связи RS-232. Датчик обратной связи (энкодер) выполняет функцию передачи данных от двигателя к ПЛК, тем самым повышается точность позиционирования двигателя.

1.5 Выбор двигателя постоянного тока

В данной выпускной бакалаврской работе выбран двигатель постоянного тока ESCAP 35NT2R32. Внешний вид двигателя представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Внешний вид двигателя ESCAP 35NT2R32

Таблица 1. Основные технические характеристики двигателя ESCAP 35NT2R32

Категория	Miniature Electric Motors
Номинальное напряжение	6 В
Номинальная мощность	37 Вт
Скорость холостого хода	4990 об/мин
Диаметр корпуса	35 мм
Длина	57 мм
Диаметр вала	5 мм
Длина вала	11.1 мм
Максимальный непрерывный крутящий момент	48.1 мН•м

1.6 Выбор фотоимпульсного датчика (энкодера)

Выбираем фотоимпульсный датчик фирмы ООО «СКБ ИС Центр» ЛИР 212-А с разрешающей способностью преобразователя до 32000 дискрет/оборот. Схема и характеристики фотоимпульсного датчика представлены на рисунке 2.



Рисунок 2. Схема и характеристики фотоимпульсного датчика

В качестве рекомендуемой схемы подключения фотоимпульсного датчика воспользуемся рекомендованной производителем схемой с применением оптрона. Схема подключения фотоимпульсного датчика изображена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема подключения фотоимпульсного датчика

Применим оптрон с логическим выходом Fairchild Optoelectronics Group. Выбор обосновывается невысокой ценой и совместимостью с устройствами. На рисунке 4 представлен внешний вид оптрона HCPL2631SD.

Рисунок 4. Внешний вид оптрона HCPL2631SD.

На рисунке 5 изображены характеристики оптрона HCPL2631SD.

Рисунок 5. Характеристики оптрона HCPL2631SD

Таким образом, на выход А будут поступать прямые и инверсные импульсные сигналы, которые будут обрабатываться микроконтроллером и использоваться для определения пройденного расстояния.

В соответствии с заданием примем, что за один импульс платформа проходит расстояние в 0,5 мм.

1.7 Выбор конденсаторов, диодов, резисторов, транзисторов

В качестве силовых ключей выбираем MOSFET транзисторы с запасом по току и напряжению.

Марка транзистора IR2910 корпус ТО220AB.

Достоинства транзистора марки IRFP450:

- высокие динамические характеристики;

- рабочая температура кристалла 175°С;

- низкое сопротивление во включенном состоянии;

- низкая мощность управления;

- высокое коммутируемое напряжение.

Необходимые характеристики транзистора:

- максимальное напряжение UDSS=100 В;

- максимальный ток ID=55 А;

- рассеиваемая мощность Pw=200 Вт;

- время включения ton=11 нс;

- время задержки включения tr=100 нс;

- время выключения toff=49 нс;

- время задержки выключения tf=50 нс;

- сопротивление открытого p-n перехода RDS(on)=0,4 Ом;

- суммарный заряд затвора Qз =140 нКл.

Для управления транзисторами выбираем драйвер Н-канального моста марки HIP4082 со следующими характеристиками:

- диапазон рабочих температур = -55 +125 єC;

- напряжение шины = 1…80 В;

- рабочий ток = 1,25 А;

- максимальная частота = 250 КГц;

- время нарастания сигнала = 30 нс;

- драйвер совместим со схемами, работающими под напряжением +3,3 В, +5В, +12В.

В цепь затвора транзистора необходимо включить сопротивления R=R3=R4=R5=R6.

Сопротивление резистора в цепи затвора рассчитывается по формуле:

(1)

(кОм)

Принимаем стандартное значение R3-R5, R9-R12,R22,R23: Резистор МЛТ-0,125 47 кОм

В мостах силовых ключей применяются диоды-шоттки VD3 … VD6, которые предохраняют транзисторы, сбрасывая излишнюю энергию. Выбраны диоды 123NQ080.

Для интерфейса RS-232 выбран приёмопередатчик MAX232. Питание от 5 В. В схеме подключения, предложенной производителем, используются следующие элементы:

- конденсаторы C4-C7 ёмкостью 1мкФ, С9 ёмкостью 10мкФ (Jamicon 1 мкФ, Jamicon 10 мкФ);

Для формирования стабилизированного напряжения VCC для питания микроконтроллера MSP430 и формирования сигнала сброса используем прибор TPS77133 производства компании TI. Питается от 5В. Для корректной работы применены следующие элементы:

- конденсатор С3 ёмкостью 0,1 мкФ, С8 ёмкостью 2,2 мкФ (K73-16 0,1 мкФ и Jamicon 2,2 мкФ);

- резистор R8 номиналом 120 кОм (МЛТ-0,125 120 кОм).

2. Разработка схемы алгоритма управления двигателем постоянного тока

2.1 Разработка схемы алгоритма работы ОВЕН ПЛК-150

В функции программируемого логического контроллера ОВЕН ПЛК-150 входит связь с компьютером по интерфейсу передачи данных RS-232, принятие данных с компьютера, их обработка и выдача управляющих сигналов. Если требуется увеличить скорость вращения двигателя постоянного тока, то на дискретный выход 1 ОВЕН ПЛК-150 подается высокий уровень сигнала (5 В) в течение 0,3 секунды, если требуется уменьшить скорость вращения двигателя постоянного тока, то на дискретный выход 2 ОВЕН ПЛК-150 подается высокий уровень сигнала (5 В) в течение этого же времени.

2.2 Разработка схемы алгоритма работы PIC16F628A

В функции микроконтроллера PIC16F628A входит:

- получение данных от ОВЕН ПЛК-150 и их передача MSP430C1101;

- передача текстового сообщения на персональный компьютер через интерфейс RS-232 по протоколу связи UART.

2.3 Разработка схемы алгоритма работы MSP430C1101

Микроконтроллер постоянно опрашивает состояние входов и при изменении уровня напряжения увеличивает или уменьшает скважность ШИМ.

2.4 Разработка схемы алгоритма включения ДПТ

При нажатии на кнопку «Пуск» происходит запуск системы управления двигателем постоянного тока ESCAP 35NT2R32.

При нажатии на кнопку «Стоп» происходит останов системы управления двигателем постоянного тока ESCAP 35NT2R32.

3. Разработка программы управления двигателем постоянного тока

Программы для ОВЕН ПЛК-150УL, MSP430C1101 и PIC16F628A написаны в соответствии с разработанными ранее алгоритмами. Результаты вычислительного эксперимента представлены ниже.

На рисунке 6 изображена визуализация проекта в среде программирования CoDeSys.

Рисунок 6. Визуализация проекта в среде программирования CoDeSys

На рисунке 7 изображено окно HyperTerminal'a после принятия данных от микроконтроллера через интерфейс RS-232.

Рисунок 7. Окно HyperTerminal'a .

Заключение

робот фотоимпульсный диод датчик

В данной выпускной бакалаврской работе разработан блок управления двигателем постоянного тока на основе программируемого логического контроллера ОВЕН ПЛК-150 и микроконтроллера MSP430C1101. Данное мехатронное изделие представляет собой функционально законченное электронное устройство, предназначенное для управления двигателями постоянного тока с номинальным напряжением до 12 вольт.

Для питания блока используются стабилизированные источники питания постоянного тока. В качестве датчика обратной связи был выбран энкодер, установленный внутри корпуса блока. Величина напряжения питания 5 В, потребляемый ток менее 100 мА, разрешение энкодера 32000 имп./об. В блоке используется метод управления двигателем с помощью широтно-импульсной модуляции. Такой способ позволяет эффективно управлять двигателями как малой, так и большой мощности. Регулирование скорости двигателя с помощью ШИМ дает более высокий КПД.

Был разработан алгоритм работы микропроцессорного устройства, описывающий порядок подачи управляющего сигнала на двигатель. Hа основе алгоритма составлен программный код, обеспечивающий корректную работу блока управления двигателем постоянного тока. Спроектированы следующие чертежи: схема электрическая принципиальная микропроцессорной системы, перечень элементов к схеме электрической принципиальной, схема электрических соединений, чертеж печатной платы микропроцессорной системы, сборочный чертеж микропроцессорной системы, спецификация микропроцессорной системы, сборочный чертеж блока управления шаговым двигателем и спецификация к нему.

Все это позволило познакомиться с организацией и основными этапами проектирования электронных устройств, усвоить основные понятия и термины, относящиеся к проектированию, закрепить и углубить знание методов расчета электронных цепей, познакомиться с элементной базой и получить представление о способах компоновки элементов, убедиться, что современное проектирование и производство электронной аппаратуры базируется на всеобъемлющей системе государственных и отраслевых стандартов.

Разработанное устройство может использовать в тех областях промышленности, где требуется точное перемещение и точность позиционирования. Корпус блока обладает достаточной прочностью. Существует возможность применения спроектированного блока в паре с двигателем в довольно сложных и ответственных устройствах. Обладает большим ресурсом и сроком службы.

Литература

1. Семенов Б.Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов/ Б.Ю. Семенов. М.: Солон-Р, 2001. 126с.

2. Хорвиц П. Искусство схемотехники. Пер. с англ. М.: Мир, 1993.

3. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. К.: Техника, 1984. 424с.

4. Касаткин А.С. Электротехника. Учеб. пособие для вузов. 4-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1983. 440с.

5. Брускин Д.Э. Электрические машины: В2-х ч. Ч1: Учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1987. 319с.

6. Романычева Э.Т. Разработка и оформление конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1989. 448с.

7. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1974. 840с.

8. Сентурия С., Уэдлок Б. Электронные схемы и их применение. М.: Мир, 1977. 600с.

Размещено на Allbest.ru

...