Программно-аппаратный комплекс, позволяющий проводить эксперименты по одновременному управлению несколькими мобильными объектами

• Содержание

1. Постановка задачи

2. Кинематический расчет

3. Двигатель

3.1 Общие сведения

3.2 Выбор двигателя

4. Расчет редуктора

5. Предварительная компоновка

5.1 Вариант компоновки № 1

5.2 Вариант компоновки № 2

6. Преобразователи напряжения

6.1 Тиристорный преобразователь напряжения

6.2 Широтно-импульсный преобразователь

6.2.1 Способы управления транзисторными ключами ШИП преобразователя

6.3 Выбор преобразователя напряжения

7 Силовая электроника

Заключение

Список использованных источников

В настоящее время в области искусственного интеллекта (ИИ) происходят заметные преобразования. Источниками этих преобразований служат распределенный искусственный интеллект (РИИ), центральной идеей которого является кооперативное взаимодействие распределенных интеллектуальных систем, и активный объектно-ориентированный подход (АООП).

Причиной возникновения новых подходов являются большие трудности, с которыми связано создание сложных проблемно-ориентированных систем. Эти подходы основаны на рассмотрении таких систем, как совокупности автономных модулей, более или менее свободно взаимодействующих друг с другом в процессе решения проблемы, направляемого системными ограничениями. Эти системные ограничения определяют поведение автономных модулей, которое может быть охарактеризовано как кооперативное, направленное на решение поставленной задачи. Подобластью РИИ являются мультиагентные системы (MAC). Агент представляет собой дальнейшее развитие понятия объект. Объект — это абстракция множества сущностей реального мира (экземпляров) или виртуальных сущностей, имеющих одни и те же свойства и правила поведения. Агент — объект, возникающий в среде, где он может выполнять определенные действия; он способен к восприятию части своей среды, может общаться с другими агентами и обладает автономным поведением, являющимся следствием его наблюдений, знаний и взаимодействий с другими агентами.

Естественными приложением теории МАС является управление группами робототехнических или, более широко, мехатронных объектов для реализации преимуществ распределённой обработки информации.

На практике обычно роботы интегрируются в робототехнические системы, а МУ (мехатронные устройства) — в МС (мехатронные системы) для совместного достижения общих целей и решения сложных задач. При этом возникают новые проблемы группового управления и коммуникации, связанные с организацией «коллективного» поведения роботов и МУ. Традиционно эти проблемы решались на основе проектирования централизованных или децентрализованных СУ (систем управления) для PC или МС.

Централизованные СУ основаны на программном управлении от центрального компьютера. Это приводит к усложнению и перегрузке каналов связи, большому запаздыванию в управлении и уменьшению надежности МС или PC. Для увеличения надежности, быстродействия, эффективности и адаптивности МС и PC используются децентрализованные СУ, основанные на локальной обработке информации и управлении каждым МУ или роботом. Однако при этом могут возникать локальные отказы и конфликтные ситуации, требующие координации работы локальных СУ. Компромиссный подход к управлению МС и PC заключается в мультиагентном управлении. В этом случае МУ и роботы рассматриваются как агенты МС и PC, локальные СУ которых имеют собственные БД и БЗ и могут оперативно обмениваться информацией через КС (канал связи). Принцип действия мультиагентных СУ основывается на декомпозиции общей задачи на ряд локальных задач, возлагаемых на агентов МС или PC, распределении этих задач между СУ агентов, планировании коллективного поведения агентов, координации взаимодействия агентов на основе кооперации, реконфигурации, коммуникации и разрешения конфликтных ситуаций. Мультиагентные СУ имеют иерархическую архитектуру и включают в себя следующие компоненты:

* систему планирования и организации коллективного поведения агентов PC или МС (стратегический уровень координации группового поведения);

* локальные СУ роботов и МУ как агентов (тактический уровень локального управления).

Задачи стратегического уровня обычно возлагаются на специального агента координатора, а задачи тактического уровня параллельно решаются СУ роботов или МУ как агентов. В результате мультиагентного управления значительно увеличивается надежность, адаптивность и быстродействие PC и МС в изменяющейся среде. Мультиагентные системы по сравнению с централизованными имеют следующие преимущества:

* сокращение сроков решения проблем за счет параллелизма;

* уменьшение объема передаваемых данных за счет передачи другим агентам высокоуровневых частичных решений;

* гибкость за счет использования агентов различной мощности, обеспечивающих совместное динамическое решение проблемы;

* надежность за счет передачи решающих функций от одних агентов, которые не в состоянии решить поставленной задачи, — другим.

Развитие и исследование мультиагентных робототехнических систем (МАРС) является перспективным научным направлением.

На кафедре «Робототехника и Мехатроника» ДГТУ осуществляется проект по исследованию МАРС. Его составная часть — программно аппаратный комплекс, позволяющий проводить эксперименты по одновременному управлению несколькими мобильными объектами. В качестве объектов используются мобильные роботы. Мобильный робот представляет собой тележку выполненную по классической компоновке с двумя ведущими колесами и одним направляющим поддерживающим колесом.

1. Постановка задачи

Научным руководителем была поставлена задача в рамках исследования мультиагентных систем разработать мобильного робота который обладал следующим рядом параметров:

· Малая стоимость деталей,

· Имел легко заменяемые элементы,

· Имел малое энергопотребление,

· Обладал высокой маневренностью,

· Легкость повторения (в создание такого же робота),

· Экологически безопасен для окружающей среды.

2. Кинематический расчет

Примем трехколесную схему с двумя ведущими колесами и одним поддерживающим.

Ведущие колеса приводятся в движение каждое своим двигателем с редуктором; изменение направление движения робота происходит за счет разности скоростей вращения ведущих колес.

Чтобы определиться с компоновкой и оценить вес конструкции, предположим, что будем использовать для привода робота два двигателя мощностью 1 Вт.

Определение предполагаемых параметров робота — его типа, компоновки, размера и веса.

Сделаем прикидку веса робота:

· двигатели, 2 шт (фактический вес двух предварительно выбранных двигателей) — 50 г

· блок управления в сборе (предв. оценка) — 50 г

· шасси в сборе (предв. оценка) — 100 г

· аккумулятор с зарядным устройством (фактический вес) — 100 г

Итого: 0,3 кг

Определение силы сопротивления движению. Сила сопротивления (F) пропорциональна весу робота (P):

кг.

Коэффициент пропорциональности К — коэффициент сопротивления, — зависит от типа и компоновки робота, а также от типа поверхности, по которой он будет передвигаться.

Можно ориентироваться на следующие значения коэффициента сопротивления принимаем коэффициент сопротивления равным 0,1.

Соответственно, сила сопротивления будет равна:

Расчет мощности, необходимой для движения. Мощность N (Вт) определяется по скорости движения V (см/сек) и силе сопротивления движению F (кг):

По требованию задания скорость составляет: 12 см/сек

Расчет мощности двигателя. Часть мощности двигателя теряется в передаче, поэтому чтобы определить требуемую мощность двигателя надо мощность, требуемую для движения, разделить на к.п.д. передачи.

Исходя из особенностей конкретной конструкции, оцениваем к.п.д. передачи в 65%. Рассчитываем требуемую мощность двигателя:

Вт,

Суммарная мощность предварительно выбранных двигателей — 1 Вт,

Расчет скорости вращения ведущего колеса. Производится по формуле

где V — скорость движения робота (см/сек), по заданию V=12 см/сек;

D — диаметр ведущего колеса (см). Диаметр выбранных ведущих колес — 2.5 см.

об/сек.

3. Двигатель

Используя данные кинематического расчета и определив необходимую мощность двигателя рассмотрим несколько типов двигателей, которые возможно использовать в конструкции мобильного робота.

3.1 Общие сведения

Микроэлектродвигатель ДП-12 а (рис. 3.1)

Эти микроэлектродвигатели были широко распространены в прошлом (15−20 назад), их и сейчас можно часто обнаружить в старых электромеханических игрушках. ДП-1 2а имеет следующие параметры:

· номинальное напряжение — 4 В,

· номинальная мощность — 0.2Вт,

· скорость вращения при номинальной мощности — 2200 об/мин,

· крутящий момент — 10Гсм,

· максимально допустимый ток — 0.6 А

Микроэлектродвигатель ДП-10к (рис. 3.2)

Еще один очень популярный в прошлом двигатель. В отличие от ДП-12а имеет два постоянных магнита вместо одного, а потому более мощный. Параметры:

· номинальное напряжение 4 В,

· номинальная мощность 0.6Вт,

· скорость вращения при номинальной мощности 2500 об/мин,

· крутящий момент 25Гсм, максимально допустимый ток 0.6 А

Микромотор от виброзвонка мобильного телефона (рис. 3.2)

Прекрасный миниатюрный мотор постоянного тока с рабочим напряжением около 3 В можно найти в неисправном или устаревшем мобильном телефоне. К примеру, на фото изображен микромотор от виброзвонка телефона Motorola CD920.

Электродвигатель стеклоподъемника (рис. 3.4)

Электродвигатели автомобильных стеклоподъемников, также как и двигатели «дворников», объединены в один блок с червячным редуктором, но, как правило (особенно у иномарок), более компактны.

Привод управления зеркалом (рис. 9)

Как правило, при повреждении наружного зеркала заднего обзора иномарки оно заменяется целиком, хотя его привод часто остается целым и еще может быть использован.

Обычно встречаются приводы двух видов: с двумя или с одним двигателем.

В первом случае (фото вверху) для поворота зеркала по горизонтальной и вертикальным осям используются отдельные двигатели. Такой блок может быть использован в некоторых конструкциях целиком (его главный недостаток — относительно малый угол поворота по каждой оси). С другой стороны, он содержит два превосходных миниатюрных электродвигателя в сборе с понижающими редукторами с защитой от перегрузки.

Во втором варианте блок поворота имеет один электродвигатель и два понижающих редуктора. Включение того или иного редуктора производится расположенным между ними электромагнитом.

3.2 Выбор двигателя

Выбор двигателя определялся из следующих критериев: площадка ограниченна, разгон, торможение, повороты часто чередуются, следовательно, машина должна обладать малым весом и хорошим пусковым моментом, преимущества в этом имеют двигатели постоянного тока.

Учитывая все требования и доступность был выбран двигатель RF-300C с номинальным напряжением питания 5 В, частотой вращения- 3000 об/мин, мощность двигателя — 0,5 Вт.

Этот двигатель хорошо подходить по массогабаритных параметрам:

· Радиус — 11,65 мм,

· Ширина — 13 мм,

· Вес — приближенно 25 г.

мультиагентный система мобильный робот

4. Расчет редуктора

Для достижения заданной скорости нам необходимо передаточное отношение редуктора равно отношению скорости вращения ведущих колес к скорости вращения двигателя:

Скорость вращения двигателя при номинальной нагрузке — не менее 3000 об/мин (т.е. 3000/60 =50 об/сек).

Передаточное число редуктора составит

Воспользуемся модифицированным редуктором от механической игрушечной машины.

· Количество зубьев на тихоходном валу — 42.

· Промежуточная шестерня имеет отношение числа зубьев равное 18/8.

· Количество зубьев на быстроходном валу 10.

· Передаточное отношение получаем

Передаточное отношение редуктора составит:

.

Чтобы получить необходимое передаточное число используем ременную передачу:

· Диаметр маленького шкива — 5 мм.

· Диаметр большого шкива — 18 мм.

Передаточное отношение ременной передачи

Общие передаточное число редуктора и ременной передачи:

.

Редуктор небольшого размера, недостаток имеет пластмассовые шестерни. При использовании ременной передачи подходит для решения поставленной задачи.

5. Предварительная компоновка

Для реализации мобильного робота нам необходимы следующая элементная база:

· Аккумуляторы (4 шт.);

· Два двигателя постоянного тока;

· Два редуктора;

· Блок управления (представляет собой электронную плату);

· Тумблер включения/выключения питания МР.

Соединение колес с редуктором предусматривается через ременную передачу.

Рассмотрим несколько вариантов компоновки элементов на роботе.

5.1 Вариант компоновки № 1

В представленной компоновки аккумуляторные батареи располагаются снизу робота в два ряда, также там располагается двигатели и редуктора. Блок управления и переключатель питания находится сверху.

Достоинства:

§ небольшой размер,

§ высокая посадка,

§ большой диаметр колес.

Недостатки: так как батареи уложены в два ряда, необходимо устанавливать колеса большого диаметра, вследствие этого конструкция мобильного робота становиться высокой, что влияет на устойчивость мобильного робота. При задании большой скорости мобильный робот может опрокинуться назад.

5.2 Вариант компоновки № 2

Проанализировав первый вариант компоновки и учитывая, как недостаток высокую посадку мобильного робота рассмотрим второй вариант компоновки.

В данной компоновки редуктора, ДПТ, аккумуляторные батареи располагаются снизу МР. Сверху находится блок управления. При расположении аккумуляторных батарей в один ряд получаем конструкцию низкую по высоте и устойчивую.

Так как блок управления находиться сверху можно легко получить доступ электроники МР. Ключ включения/выключения располагается снизу МР, что удобно так как сверху на робот будет крепиться крышка.

6. Преобразователи напряжения

Плавное регулирование мощности двигателя достигается использованием преобразователей напряжения.

В настоящие время применяют:

1. Тиристорные преобразователи.

2. Широтно-импульсные преобразователи.

3. Импульсные преобразователи.

6.1 Тиристорный преобразователь напряжения

Основу тиристрорного преобразователя составляют тиристоры.

Тиристор — это полупроводниковый прибор с тремя и более р-n переходами, вольт амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для переключения.

Структура тиристора показана на рисунке 6.1. Тиристор представляет собой четырехслойный р1 n1 р2 n2 прибор, содержащий три последовательно соединенных р n перехода (П1, П2 и П3). Обе внешние области называют эмиттерами (Э1, Э2), а внутренние области — базами (Б1, Б2) тиристора (рис. 6.1а). Переходы П1 и П2 называются эмиттерными, переход П3 — коллекторный переход.

Прибор без управляющих электродов работает как двухполюсник и называется диодным тиристором (динистором). Прибор с управляющим электродом является трехполюсником и называется триодным тиристором.

Вольт амперная характеристика диодного тиристора, приведенная на рисунке 6.2, имеет несколько различных участков. Прямое смещение тиристора соответствует положительному напряжению Vg, подаваемому на первый p1 эмиттер тиристора.

Участок характеристики между точками 1 и 2 соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением. В этом случае основная часть напряжения VG падает на коллекторном переходе П2, который в смещен в обратном направлении. Эмиттерные переходы П1 и П2 включены в прямом направлении. Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ p n перехода.

При достижении напряжения VG, называемого напряжением включения Uвкл, или тока J, называемого током включения Jвкл, ВАХ тиристора переходит на участок между точками 3 и 4, соответствующий открытому состоянию (низкое сопротивление). Между точками 2 и 3 находится переходный участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением, не наблюдаемый на статических ВАХ тиристора.

Чтобы перевести тиристор в открытое состояние, необходимо накопить избыточный отрицательный заряд в базе n1 и положительный в базе р2. Это осуществляется путем увеличения уровня инжекции через эмиттерные переходы П1 и П3 при увеличении напряжения на тиристоре до Uперекл. Накоплением объемных зарядов в базах Б1 и Б2 можно управлять, если у одной из баз имеется контакт, который называется управляющим электродом.

На управляющий электрод базы подается напряжение такой полярности, чтобы прилегающий к этой базе эмиттерный переход был включен в прямом направлении. Это приводит к росту тока через эмиттерный переход и снижению Uперекл. На рисунке 6.3 приведено семейство ВАХ тиристора при различных значениях управляющего тока.

При достаточно больших значениях тока Iупр ВАХ тиристора вырождается в прямую ветвь ВАХ диода. Критическое значение тока Iупр, при котором на ВАХ тиристора исчезает участок с отрицательным диффиренциальным сопротивлением и тиринистор включается, минуя запертое состояние, называется током спрямления.

Таким образом, наличие Iупр принципиально не меняет существа процессов, определяющих вид ВАХ тиристора, но меняет значения параметров: напряжение переключения и ток переключения.

В совокупности преобразователь можно представить в виде схемы:

Назначение Б1 заключается в формировании импульса управления тиристором с запаздывание по углы б.

Б2 — силовой блок — обеспечивающий выходное напряжения функцией от б.

Б3 — блок обратных связей в СУ по току якоря.

Теоретически известно что ТП могут работать в хоне прерывистых и не прерывистых токов якоря двигателя. Наиболее приемлемым режимом для электромеханических и мехатронных систем является работа в зоне непрерывных токов, когда наблюдается устойчивый режим работы привода при изменении токов якоря от 0,1 до 1.

6.2 Широтно-импульсный преобразователь

Широтно-импульсные преобразователи (ШИП) находят применение в электроприводах мехатронных систем благодаря их высоким динамическим и энергетическим свойствам. Основой ШИП является силовой ключ (СК), который коммутирует напряжение источника питания на нагрузке двигателя постоянного тока. Оптимальным ключом для преобразователя служит полностью управляемый силовой полупроводниковый прибор (СПП), шунтированный быстродействующим диодом, к таким приборам относят биполярные и полевые транзисторы, запираемые сигналом управления, тиристоры и гибридные интегральные модули на их основе. Основным недостатком тиристорных ключей является их неполная управляемость и необходимость применения для их запирания специальных коммутационных узлов формирования мощных запирающих импульсов. Вследствие этого массогабаритные показатели и КПД тиристорных ШИП несколько ниже транзисторных.

В зависимости от способа управления ШИП к нагрузке прикладывается однополярное или разнополярное импульсное напряжение. Среднее значение ЭДС преобразователя Edo (или напряжение на якоре Uя) для симметричного управления (= 0,5) Ed=Uп (2*-1), для не симметричного и поочередного управления (=0) Ed=Uп?, где скважность импульсов выходного напряжения при сигнале управления равном нулю. Так как коммутация СК происходит не мгновенно, а занимает некоторый интервал времени, то практически <1 и устанавливается с помощью системы управления на уровне 0,85−0,9, чему соответствует максимальное выходное напряжение преобразователя, Edmax= (0.85−0.9)Uп, где Uпнапряжение источника питания.

Приведенная схема ШИП позволяет осуществить как, двигательный, так и тормозные режимы работы двигателя. Она обеспечивает непрерывный ток при любой нагрузке и регулируемую скорость холостого хода. В системах, не обеспечивающих тормозные режимы, возможен режим прерывистых токов, в таком режиме линейность механических характеристик двигателей постоянного тока нарушается.

В отличие от управляемых выпрямителей функции выпрямления переменного напряжения регулирование его средней величины в схеме ШИП-Д разделены. Функцию выпрямления переменного напряжения силового трансформатора выполняет неуправляемый выпрямитель, собранный чаще всего по трехфазной мостовой схеме. Выпрямленное напряжение Ud = const сглаживается емкостным либо индуктивно-емкостным фильтром.

Силовые трансформаторы модулей ЭМС являются самым распространенным элементом, согласующим напряжение в сети и выпрямителя с напряжение двигателя. Благодаря разделению функций выпрямления и регулирования выходного напряжения в системах ШИП габаритная мощность трансформатора может быть существенно снижена по сравнению со схемами управляемыми выпрямителями. Исследования показывает, что габаритная мощность Sтг для систем ШИП-Д находится в пределах (0,6−0,8)Uном•Iном в зависимости от типа нагрузки, в то время как для шестиимпульсного реверсивного УВ она составляет (1,6−1,7) Uном•Iном.

Важным техническим показателем системы ШИП-Д является высокое быстродействие при отработке управляющих и возмущающих воздействий. При частоте коммутации 4−5 кГц реально достижимая полоса пропускания контура ток в 2−2,5 раза превышает полосу пропускания в схемах с шистиимпульсным управлением УВ. Более высокое быстродействие приводов ШИП-Д позволяет соответственно увеличить добротность проектируемой системы. Для обеспечения максимальной производительности необходимо минимизировать суммарный момент инерции, приведенный к валу двигателя, применяя малоинерционные двигатели (предпочтительнее с дисковыми якорями). Индуктивность якоря таких двигателей значительно меньше, чем у обычных и высокомоментных. Поэтому применение ШИП с более высокой частотой коммутации позволяет сократить потери в двигателе и уменьшить, габариты сглаживающего реактора, время нарастания ток якоря и скорости двигателя, что сказывается на увеличении производительности механизма МС.

6.2.1 Способы управления транзисторными ключами ШИП преобразователя

Из известных способов управления транзисторными ключами следует отметить симметричный, несимметричный и поочередный.

Первый способ — когда коммутируются оба транзистора VT1(СК1), VT4(СК2), а при реверсе — транзисторы VT2(СК2), VT3(СК3). При этом электродвигатель питается однополярными импульсами тока, а ЭДС самоиндукции электродвигателя (при UL > UЯ) и преобразованная при торможении механическая энергия в электрическую заряжают емкость фильтра через диоды «сброса», шунтирующие транзисторы.

При втором способе — один из двух коммутирующих транзисторов VT1(СК1), VT4(СК4) постоянно включен (например, VT4(СК4)), а другой является регулирующим величину тока. Транзистор VT4(СК4) обеспечивает роль шунтирующего элемента и ток, обусловленный ЭДС самоиндукции электродвигателя, протекает через него. Механические; характеристики исполнительного двигателя и область прерывистых токов такого режима работы показаны на рис. 6.2.2.

Поочередное управление характеризуется работой всех четырех транзисторных ключей моста, переключающихся с частотой в два раза меньше частоты напряжения на выходе.

Изменяя очередность включения диагонально расположенных ключей моста, когда напряжение питания подается на двигатель на первом интервале периода, а на втором интервале — якорь двигателя закорачивается верхними или нижними ключами, создаются одинаковые условия загрузки ключей по току и возможность формирования знакопостоянного напряжения на нагрузке.

При разработке электроприводов ТС наибольшее распространение получил первый способ коммутации транзисторных ключей с согласованным включением обеих пар VT1(СК1), VT4(СК4) и VT2(СК2), VT3(СК3) и начальным смещением угла отпирания транзисторов, В этом случае обе пары транзисторов включаются поочередно при нулевом сигнале задания. Это уменьшает зову работы электропривода в области прерывистых токов и оказывает влияние на рабочие характеристики электропривода при симметричном законе управления ключами, когда ф1 + ф2 = 180 эл. град.

На практике применяют широко согласованный способ управления транзисторными ключами с регулированием величины начального смещения углов проводимости ф1 и ф2 как показано на рис. 6.2.2,б.

Величину начального смещения углов проводимости ф1 и ф2 определяют и устанавливают с учетом значений индуктивностей обмотки якоря электродвигателя и других силовых элементов энергетического канала. Схемотехническое решение ШИП обычно включает в себя широтно-импульсный модулятор, преобразующий напряжение управления в скважность управляющих силовыми ключами импульсов, и транзисторные (или тиристорные) импульсные усилители. ШИП располагает линейной характеристикой управления с передаточным коэффициентом

где Uп — напряжение источника питают ШИП;

— максимальная скважность управляющих импульсов, значение которой при проектировании ЭП принимается в пределах 0,1−0,95;

Uyмакс — напряжение управлении (максимальное).

Электроприводы с указанными принципами управления транзисторными преобразователями обладают высокими техническими характеристиками: частота пропускания по скорости составляет 100−160 Гц, диапазон регулирования скорости — более 1000 и обеспечивается достаточно высокая жесткость механических характеристик ЭП.

6.3 Выбор преобразователя напряжения

В работе был использован широтно-импульсный преобразователь микроконтроллера ATtiny2313. Микроконтроллер имеет 2 встроенных модуля ШИП (рис. 6.3). Эти выходы могут использоваться для управления двигателями, оптимально работающими с ШИП импульсами без фильтрации, или же эти импульсы могут быть отфильтрованы для получения гладких аналоговых сигналов.

Основные преимущества:

· Два независимых модуля сравнения;

· Двойной буфер выходных сравнивающих регистров;

· Очистка таймера на Compare Match (автоматическая);

· Изменение периода ШИП;

· Частоты генератора;

· Три независимых источника прерывания (TOV0, OCF0A, и OCF0B)

Регистр ТCCR0B имеет 3 бита, которые управляют периодом выходных импульсов, разрешая или запрещая работу предделителя на 2.

Разрешение работы предделителя заставляет 8-битный счетчик увеличиваться каждые 2 такта; запрещение вызывает увеличение счетчика каждый такт.

В микроконтроллере реализованы два режима работы ШИП модулятора:

1. Fast PWM mode,

2. Phase Correct PWM Mode.

Для управления двигателями на мобильном роботе был использован первый способ реализации ШИП. Fast PWM обеспечивает высокую частоту ШИП формы сигнала. Fast PWM отличается от других способов ШИП единичным наклоном волны. Счетчик считает до значения Top (наивысшего) потом переводится в Bottom (низкое). При достижении Top описанные как 0xff когда WGM2:=3, и OCR0A когда WGM2:0=7. В не инвертируемом модуле сравнения, ОС0х очищается на модуле Compare Match между TCNT0 и OCR0x устанавливается Bottom. В выходном модуле сравнения, выход устанавливается на Compare Match и очищается при Bottom. Что причитается при операции единичного наклона, рабочая частота fast PWM в два раза выше чем при использовании Phase correct PWM использующий двойной наклон (рис. 6.4). Высокая частота делает Fast PWM удобным для регулирования мощности, корректирования мощности, и для применения в ЦАП.

В Fast PWM счетчик увеличивается пока на счетчики не появится значение Top. Потом счетчик очищается, следует новый временной цикл. Временная диаграмма представлена на рисунке 6.5. Значение TCNT0 на временной диаграмме показаны как гистограмма для наглядности единичного наклона импульса.

Диаграмма включает инвертируемые и не инвертируемые выходные выходы PWM. Маленькая горизонтальная линия показывает на TCNT0 наклон изображения Compare Matches между OCR0x и TCNT0.

Частота ШИП может быть посчитана следующей формулой:

где N — изменяемое значение предделителя (1, 8, 64, 256, 1024).

Выставляя значения битов CS02, CS01, CS00 можно выставить необходимое значение предделителя.

Таблица — 6.3. Значения битов CS02, CS01, CS00.

Каждый управляющий регистр содержит 8-битное значение, загружаемое в регистр хранения, когда 8-битный счетчик переполняется.

7. Силовая электроника

Так как микроконтроллер не может выдавать отрицательные сигналы для ДПТ, чтобы обеспечить реверсирование двигателя используем силовую электронику. Силовая электроника служит для согласования микроконтроллера и двигателя. Состоит из 2-х драйверов двигателя постоянного тока TA7291S фирмы TOSHIBA, характеристики представлены в таблице 7.1. Имеет четыре режима управления — влево, вправо, стоп, тормоз. Основу драйвера составляет мост на транзисторах, с помощью микроконтроллера уровень логических сигналов доводится до напряжения питания.

Данный драйвер ДПТ был выбран из соображений компактности и дешевизны.

Таблица 7.1. Характеристика TA7291S.

Таблица 7.2. Обозначение ножек TA7291S.

В зависимости от значений подаваемых на входные ножки драйвера будут формироваться, то или иное направление вращения двигателя. Значения входных сигналов и выходных воздействий представлены на рисунке 7.3.

Заключение

В результате расчетов и разработки был изготовлен мобильный робот (рис. 8) соответствующий требованиям поставленной задачи. Мобильный робот имеет следующие параметры:

· Высота 54,5 мм

· Ширина 65

· Длина 117

· Суммарная мощность двигателей 1 Вт

· Частота вращение двигателя 3000 об/мин

· Передаточное отношение редуктора 0,105

· Общие передаточное отношение (редуктора и ременной передачи) 0,296

· Скорость движения робота 12 см/сек

· Минимальный радиус разворота 8,5 мм.

В дальнейшем предполагается на базе данной компоновки собрать еще несколько мобильных роботов в целях изучения мультиагентных систем и организации так называемого мобильного футбола роботов.

Список использованных источников

1. Карнаухов Н. Ф. Электромеханические и мехатронные системы. Учебное пособие, Феникс, Ростов-на-Дону, 2006 г. стр.182−190.

2. Косиловой А. Г. и Р. К. Мещерякова. Справочник технолога машиностроителя. В 2-х т./ Под ред. — 4-е изд., перераб. И доп. — М.: Машиностроение 1986 г.