Распределенная система терминального управления техническим объектом (стр. 8 из 15)
Перечислим основные достоинства стандарта CAN:
- Протокол CAN оптимизирован для систем, в которых должны передаваться относительно небольшое количество информации (по сравнению с Ethernet или USB, разработанных специально для больших объемов данных) к любому или всем узлам сети. Множественный доступ с опросом состояния шины позволяет каждому узлу получить доступ к шине с учетом приоритетов.
- Неадресатная структура сообщений позволяет организовать многоабонентскую доставку данных с сокращением трафика шины.
- Протокол CAN использует оригинальную систему адресации сообщений. Каждое сообщение снабжается идентификатором, который определяет назначение передаваемых данных, но не адрес приемника. Любой приемник может реагировать как на один идентификатор, так и на несколько. На один идентификатор могут реагировать несколько приемников.
- Быстрая устойчивая передача информации с системой контроля ошибок позволяет отключать неисправные узлы от шины, что гарантирует доставку критических по времени сообщений.
- Максимальное число абонентов, подключенных к данному интерфейсу фактически определяется нагрузочной способностью примененных приемопередатчиков (теоретических ограничений нет). Например, при использовании трансивера фирмы PHILIPS PCA82C250 она равна 110.
- Протокол CAN обладает развитой системой обнаружения и сигнализации ошибок. Для этих целей используется поразрядный контроль, прямое заполнение битового потока, проверка пакета сообщения CRC-полиномом, контроль формы пакета сообщений, подтверждение правильного приема пакета данных. Общая вероятность необнаруженной ошибки составляет
.- В качестве среды передачи данных могут выступать: витая пара (различных категорий) при передаче дифференциальных электрических сигналов (в этом случае для повышения помехозащищенности необходимы терминаторы – 120-омные резисторы – на концах шины); оптоволокно; радиоволны; инфракрасные лучи.
В качестве управляющего контроллера CAN-интерфеса может быть использован MCP2510 контроллер фирмы Microchip.
4.3 Концепция специализированного ПО РСТУ
Как было сказано выше, для эффективного управления РСТУ необходимо специализированное клиентское ПО, среди основных функций которого можно выделить:
- общий мониторинг обстановке в зоне работы роботехнического комплекса;
- анализ информации, поступающей от датчиков;
- синтез закона терминального управления для объекта управления;
- ведение файлов протокола работы системы;
- общее управление комплексом.
Поскольку ПО должно поддерживать возможность передачи данных по сети с использованием протокола TCP/IP будем использовать технологию создания сетевых приложений с использованием сокетов. Файлы протоколов будут формироваться на основе типизированных файлов. Для визуализации информации рекомендуется использовать стандартные интерфейсные элементы операционной системы Windows, это снизит потребление аппаратных ресурсов компьютера, что в свою очередь позволит поднять быстродействие программного обеспечения.
5 Разработка экспериментальной модели РСТУ робототехнического комплекса
5.1 Назначение экспериментальной модели РСТУ
Для проверки работоспособности проектируемой РСТУ робототехнического комплекса необходимо построить экспериментальную модель системы, которая будет в состоянии сымитировать работу РСТУ в реальных условиях. Основное назначение экспериментальной модели состоит в проверке синтезированных алгоритмов терминального управления.
5.2 Построение экспериментальной модели
Основная задача при разработки модели будет состоять в моделировании исполнительной системы робота, поскольку закон терминального управления будет рассчитываться именно для этой подсистемы робототехнического комплекса. Наибольшее распространение в робототехнике получили электрические приводы на основе двигателей постоянного тока аналогового типа [1]. Однако широкое использование управляющей вычислительной техники и в первую очередь микропроцессорных систем приводит к необходимости решения задачи создания систем сопряжения аналоговых и цифровых сигналов и разработки силовых управляющих преобразователей. Для управления двигателями робота наиболее целесообразно использование сигнала с широтно-импульсной модуляцией, что обеспечивает самый экономичный режим работы усилителя – импульсный и позволяет упростить канал вывода информации от управляющей ЭВМ.
Одно из важнейших требований, предъявляемых к исполнительным системам роботов манипуляторов, заключается в необходимости обеспечения высокой степени их надежности. Выполнение этого требования особенно важно в отношении дистанционно управляемых манипуляционных роботов, предназначенных для работы в экстремальных условиях, так как агрессивная внешняя среда оказывает существенное влияние на конструктивные элементы манипулятора. Самым уязвимым с этой точки зрения звеном исполнительной системы является электродвигатель. Наибольшей степенью надежности в агрессивных средах обладают электродвигатели, в конструкциях которых отсутствуют контактные коммутационные элементы. Одной из разновидностей таких двигателей является трехфазный электродвигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором. Указанные обстоятельства и целый ряд других существенных преимуществ асинхронных электродвигателей вызывают в последнее время повышенный интерес разработчиков к созданию и широкому внедрению исполнительных систем на основе этих двигателей. Синтез и исследование таких систем имеют свою специфику. Рассмотрим в общем виде инженерный подход к проектированию исполнительных следящих систем с асинхронным короткозамкнутым двигателем.
При выводе дифференциальных уравнений асинхронной машины обычно принимают следующие допущения: фазные обмотки ротора выполнены одинаковыми и расположены по окружности статора симметрично, воздушный зазор равномерен, машины имеют синусные обмотки, и поле в воздушном зазоре определяется формой приложенного напряжения, поверхность ротора и статора считается гладкой, потери в стали не учитываются. Кроме того, при исследовании асинхронного двигателя, питающегося от преобразователя частоты, не учитывается влияние высших гармоник питающего напряжения на работу машины. В системе координат, вращающейся с произвольной скоростью
, дифференциальные уравнения имеют вид [13]
, (5.1)где U1, i1, i2, – вращающиеся векторы мгновенных значений напряжения статора и токов ротора соответственно; r1, r2 – активные сопротивления обмоток статора и ротора; y1, y2 – вращающиеся векторы мгновенных значений потокосцеплений статора и ротора соответственно; Lm – взаимная индуктивность статора и ротора; Мдв – вектор электромагнитного момента двигателя;
– величина, комплексно сопряженная i2; W – угловая скорость ротора; рп – число пар полюсов.В литературе приводятся структурные схемы двигателя, полученные на основе его дифференциальных уравнений. Однако техническая реализация системы управления на базе таких структур оказывается сложной, поэтому целесообразно определить передаточную функцию двигателя, предварительно исследовав экспериментально либо рассчитав на ЭВМ переходные процессы в нем.
5.3 Численное моделирование и анализ исполнительной системы робота манипулятора
При анализе исполнительных систем в полной мере проявляется современная тенденция – детализированный учет свойств каждого элемента системы при математическом описании – обусловленная в первую очередь тем, что ряд параметров систем управления и их элементов изменяется в процессе работы. В связи с этим широко используется отображение систем дифференциальных уравнений, описывающих системы управления, в виде математических структурных схем. Будем рассматривать структурную схему исполнительной системы в виде
Рисунок 5.1 – Структурная схема исполнительной системы
На схеме приняты следующие обозначения:
– момент инерции ротора двигателя и кинематической передачи; 
– момент инерции нагрузки; 
– угол поворота вала двигателя; 
– угол поворота вала нагрузки; 
– коэффициент упругости кинематической передачи; 
– коэффициент, учитывающий потери на деформацию; 
– активное сопротивление цепи якоря; 
– индуктивность цепи якоря; 
– коэффициент противо-ЭДС; 
– коэффициент крутящего момента; 
, 
, 
– коэффициенты звена последовательной коррекции.