Проектирование одноосного балансирующего робота Segway

В настоящее время человек не может обойтись без высокотехнологичного оборудования. Придумано огромное число моделей, различающихся по стоимости, дизайну и по многим другим параметрам. В нашей жизни мы не можем обойтись без электронных устройств.

Целью данной дипломной работы является разработка системы управления равновесием, разработка микропрограммы балансирующего одноосного робота, а так же его конструкция.

Данный робот может применяться где угодно, так как обладает множеством достоинств. Например, в повседневной жизни его можно использовать как:

средство передвижения;

средство доставки и транспортировки.

Его достоинствами являются: компактность, простое управление, быстродействие, бесшумность, не требуется топливо (только подзарядка), тем самым робот является экологически чистым.

1. Теоретическая часть

1.1 История робототехники

Историю робототехники как прикладной науки о разработке и производстве автоматизированных технических систем можно условно разделить на две части: популярную и актуальную.

Популярная история робототехники ведет свое повествование от мифа о железных слугах Гефеста, «Франкенштейна» Мери Келли, через удивительные часовые механизмы в виде поющих бронзовых фазанов и целых движущихся городов к роботам на Марсе и гуманоидному роботу Asimo корпорации Honda.

Актуальная история робототехники включает в себя историю развития только тех идей и технологий, которые оказали наибольшее влияние на конструирование современных роботов, таких как сварочные линии автомобильных кузовов или автономные межпланетные исследовательские станции.

История серьезной робототехники начинается с появлением атомной промышленности почти сразу по окончании второй мировой войны. Индустрия тех лет еще не способна произвести высокоточные программируемые манипуляторы; роботы пока не могут выполнять работу за конвейером. Однако время диктует свое. Поставленная задача — обезопасить работу персонала с радиоактивными препаратами — успешно решается при помощи манипуляторов, копирующих движения человека-оператора. Это еще не совсем роботы, поскольку они по-прежнему состоят только из механических деталей: используются ременные и шевронные передачи. Современное название таких устройств — копирующие манипуляторы или MSM (master-slave manipulators).

Первый действительно существовавший в железе индустриальный робот принадлежит Полларду. 29 октября 1934 года, Уиллард Л. Г. Поллард подал в бюро патентов заявку об изобретении нового полностью автоматического устройства для окраски поверхностей. Патент состоял из двух частей: электрической управляющей системы и механического манипулятора. Программа задавала скорость вращения приводов глубиной вмятин на плотной перфоленте, а механическая часть робота представляла собой параллельный манипулятор по типу пантографа всего с двумя приводами.

Часто в литературе выделяют несколько поколений роботов. Однако, это имеет непрямое отношение к развитию технологий.

К роботам первого поколения обычно причисляют все копирующие и программируемые манипуляторы. Такие машины выполняют жесткую программу и чаще называются промышленными роботами.

Роботы второго поколения оснащены датчиками для выполнения более интеллектуальных функций.

К роботам третьего поколения относятся автономные мобильные роботы с самостоятельной адаптивной программой.

Датой рождения первого по-настоящему серьезного робота, о котором услышал весь мир, можно считать 18 мая 1966 года. В этот день Григорий Николаевич Бабакин, главный конструктор машиностроительного завода имени С. А. Лавочкина в подмосковных Химках, изобрел «Луноход-1», луноход 8ЕЛ в составе автоматической станции E8 № 203, — первый в истории аппарат, успешно покоривший лунную поверхность 17 ноября 1970.

1.2 История возникновения сигвея

Сигвей начали изобретать еще в советское время с такого транспортного средства — гирокар. Это автомобиль, имеющий два (или более) колёса, расположенных в одну линию, а так же внутри у него находится гироскоп. Гироскоп: «Это быстро вращающееся твёрдое тело (ротор), ось вращения которого способна изменять ориентацию в пространстве. При этом скорость вращения гироскопа значительно превышает скорость поворота оси его вращения. Основное свойство такого гироскопа — способность сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения при отсутствии воздействия на неё моментов внешних сил». В качестве простого примера можно привести юлу. Если толкнуть раскрученный волчок, он не упадёт. Только «отшатнётся» в сторону. Так же работает и гироскоп с маховиком. На рис. 1 изображен гироскоп.

Рисунок 1 — Гироскоп Самую знаменитую попытку построить гирокар в истории предпринял русский инженер и изобретатель Пётр Петрович Шиловкий в 1914 году. Он изобрел свой гирокар в Англии на заводах Wolseley.

Итак, менее чем за год на заводе Wolseley был построен автомобиль Wolseley Gyrocar (рис.2) конструкции графа Шиловского. Для парковки были предусмотрены дополнительные выдвижные колёсики по бокам. 27 ноября 1913 года двигатель завели, колёсики убрали, и водитель-испытатель проехал несколько метров. Машина не опрокинулась.

Рисунок 2 — Wolseley Gyrocar

Следующий опыт заключался в том, что несколько здоровых мужчин сели в гирокар и попытались его раскачать и перевернуть — но он стоял на земле жёстче четырёхколёсной машины.

Это было совершенно естественно: ведь обычная машина не переворачивается благодаря собственному весу и достаточному количеству точек опоры — но при этом она вполне может шататься. Энергия же, вырабатываемая вращающимся маховиком, заметно превышала все усилия людей в кузове и держала кузов в состоянии почти полной неподвижности.

Осмелевшие испытатели во главе с Шиловским загрузились в гирокар и объехали сначала завод, а потом выехали в город. Закончилась их поездка тем, что машина заглохла и опрокинулась. Но главное было сделано: гирокар работал.

В качестве эксперта был приглашён знаменитый пионер гиротранспорта Луис Бреннан. Он пришёл в восторг от гирокара и честно признался, что никогда не думал о применении гироскопа в дорожном, а не в рельсовом транспорте. Гирокар запатентовали в ряде стран мира. 28 апреля 1914 года в Лондоне была проведена публичная демонстрация гирокара (рис.3).

Рисунок 3 — Публичная демонстрация гирокара Она собрала толпы зевак, и вроде как даже инвесторы заинтересовались разработкой Шиловского, но… грянула I мировая война. И всё — никому оригинальная машина стала не нужна. А гирокар в какой-то момент был похоронен в земле. Совершенно буквально, чтобы во время войны его не повредило. Его просто закопали.

После войны Шиловский вспомнил про свой гирокар, который по-прежнему ржавел где-то под землёй на территории завода Wolseley.

В 1938 году гирокар был извлечён из-под земли, очищен, отреставрирован и помещён в музей Wolseley (рис.4).

Рисунок 4 — Отреставрированный гирокар Шиловского В 1962 году американский энтузиаст Луис Суинни на площадях компании Gyro Transport Systems построил гирокар Gyro-X (рис. 5). Дизайн разработал сотрудник Ford Алекс Тримулоус (легенда авангарда в автодизайне), а гироскоп — инженер Томас Саммерс. Лёгкая, очень скоростная машина, почти мотоцикл, не произвела какого — либо впечатление на потенциальных инвесторов. Судьба её неизвестна — скорее всего, её уничтожили в том же году. Сохранилось лишь несколько фотографий и полная техническая документация, доказывающая то, что эта машина была способна на движение.

Рисунок 5 — Гирокар Gyro-X

А дело Петра Петровича Шиловского всё-таки живёт. Потому что весь мир сегодня ездит на «Сигвеях». Думаю, Шиловский, добился своего: гироскопический транспорт существует и пользуется популярностью.

Презентация первого самобалансирующего робота произошла 3 декабря 2001 года. В этом необычном средстве передвижения не было ни коробки передач, ни тормозов, ни руля. Однако между двумя колесами располагался компьютер, система сенсоров и гироскопов. Малейшее движение, отклонение водителя — и робот мгновенно реагировал. Наклон вперед — и вы едете, наклон назад — тормозите. Что может быть проще и удобнее!

Первый электрический самобалансирующийся робот с двумя колёсами, расположенными по обе стороны изобретённый Дином Кейменом. Для создания такого робота Д. Кеймен затратил около 10 лет.

Конструкция сигвея (рис.6) состоит из двух колес расположенных соосно. Сигвей автоматически балансируется при изменении положения корпуса ездока; для этой цели используется система индикаторной стабилизации: сигналы с гироскопических и жидкостных датчиков наклона поступают на микропроцессор, который вырабатывает управляющие двигателями воздействия. Каждое колесо сигвея приводится во вращение своим электродвигателем, реагирующим на изменения равновесия машины.

Рисунок 6 — Современная конструкция сигвея Первый серийный сигвей был официально представлен в 2002 году. Первые модели сигвеев «Эйч Ти Ай 167» (HT i167) и «Ай 180» (i180) имели стационарный столб руля. Управление осуществлялось благодаря вращающимся ручкам-акселераторам. До современных моделей все же было еще далеко. За 8 лет было выпущено достаточно вариаций и модификаций сигвеев. Так же было изобретено инвалидное кресло «АйБот» (iBOT), военном роботе на этой же технологии, сигвей с сиденьем, сигвей для детей и других моделях. Современные модели были выпущены в 2006 году. Это сигвей «Ай 2» (i2) и «Икс 2» (x2). Первая из этих моделей универсальная, вторая же разработана для передвижения по пересеченной местности.

Теория управления обратным маятником Рассмотрение задачи управления маятником важно по ряду причин.

Во-первых, маятники входят в состав реальных объектов управления.

Во-вторых, изучая управление обратным маятником можно переносить многие его свойства и на другие, неустойчивые в отсутствие управления, объекты.

Наконец, в-третьих, обратный маятник, как неустойчивый объект управления сравнительно просто моделируется, как и система управления им.

Простейший маятник рассматривается еще в школьном курсе физики. Это груз, подвешенный на нити и способный раскачиваться и возвращаться в нижнее, устойчивое положение с течением времени.

Тот же маятник, представляющий собой груз (например, свинцовый шарик, диаметром 4.5 см, имеющий массу 1 кг), закрепленный на конце жесткого стержня, второй конец которого закреплен в шарнире называется обратным маятником, если задача управления им состоит в выведении груза наверх и поддержании его там.

Обратный маятник по своей природе неустойчивый и должен постоянно балансироваться чтобы оставаться в вертикальном положении, с помощью применения крутящего момента к опорной точке или при перемещении точки опоры по горизонтали, как части обратной связи системы. Простейшим демонстрационным примером может являться балансировка карандаша на конце пальца.

Другим способом стабилизации обратного маятника может, является быстрое колебание вверх и вниз основания. В этом случае можно обойтись без обратной связи. Если колебания достаточно сильные (с точки зрения его ускорения и амплитуды), то обратный маятник может стабилизироваться удивительным образом.

Обратный маятник имеет одно неустойчивое положение (груз вверху) и одно устойчивое положение (груз внизу).

Построим простейшую аналитическую модель маятника, не учитывающую ни трение, ни сопротивление воздуха, реализуем ее в виртуальном аналоговом виде и посмотрим, каковы особенности этой модели.

Рисунок 7 — Аналитическая модель обратного маятника Сила тяжести при малейшем отклонении маятника от вертикали смещает его все далее из вертикального положения, не позволяя ему вернуться обратно. Обратный маятник нелинейный. Он не устойчив в исходном состоянии (в малом), но устойчив в большом. Поэтому он перейдет в нижнее положение и станет качаться вокруг него. Здесь и далее все величины, направленные вправо, вдоль оси абсцисс, а также по часовой стрелке, считаются положительными.

Уравнение маятника вытекает из рис. 7 в соответствии со вторым законом Ньютона для вращающейся материальной точки:

Обратим внимание на знак правой части уравнения. Он положительный, показывая, что угловое ускорение груза маятника направлено в ту же сторону, что и угловое отклонение, и действие компоненты силы тяжести, отклоняющей маятник. В результате, маятник неустойчив при верхнем положении груза, а устойчив при нижнем.

Маятник в отсутствие сопротивления воздуха не зависит от массы грузика.

В принципе, управлять положением маятника и, в частности, приводить его в вертикальное положение уже можно, путем его обдува потоком воздуха.

Шарнир обратного маятника закреплен на подвижной тележке некоторой массы, способной перемещаться по горизонтальной оси в плоскости качания маятника. Требуется, воздействуя на тележку, переводить маятник из некоторого произвольного положения в вертикальное, грузом вверх.

Рисунок 8 — Обратный маятник с тележкой Перемещая опору маятника можно заставить его колебаться в перевернутом состоянии, поэтому он называется обратным. Стрелка внизу показывает скорость и направление движения тележки, на которой закреплен шарнир маятника.

1.3 Теория управления шаговыми двигателями

Шаговые двигатели уже давно и успешно применяются в самых разнообразных устройствах. Их можно встретить в дисководах, принтерах, плоттерах, сканерах, факсах, а также в разнообразном промышленном и специальном оборудовании. В настоящее время выпускается множество различных типов шаговых двигателей на все случаи жизни. Однако от правильно выбора тип шагового двигателя и определения его параметров, зависит работоспособность проектируемой системы. Также не менее важно правильно выбрать схему драйвера и алгоритм его работы, который зачастую определяется программой микроконтроллера.

Шаговый двигатель — это электромеханическое устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения.

Шаговые двигатели относятся к классу бесколлекторных двигателей постоянного тока. Как и любые бесколлекторные двигатели, они имеют высокую надежность и большой срок службы, что позволяет использовать их в критичных, например, индустриальных применениях. По сравнению с обычными двигателями постоянного тока, шаговые двигатели требуют значительно более сложных схем управления, которые должны выполнять все коммутации обмоток при работе двигателя. Кроме того, сам шаговый двигатель — дорогостоящее устройство, поэтому там, где точное позиционирование не требуется, обычные коллекторные двигатели имеют заметное преимущество.

Одним из главных преимуществ шаговых двигателей является возможность осуществлять точное позиционирование и регулировку скорости без датчика обратной связи. Однако это подходит только для систем, которые работают при малом ускорении и с относительно постоянной нагрузкой. В то же время системы с обратной связью способны работать с большими ускорениями и даже при переменном характере нагрузки. Если нагрузка шагового двигателя превысит его момент, то информация о положении ротора теряется и система требует базирования с помощью, например, концевого выключателя или другого датчика. Системы с обратной связью не имеют подобного недостатка.

Наряду со всеми достоинствами, существуют и недостатки шаговых двигателей.

шаговым двигателем присуще явление резонанса возможна потеря контроля положения ввиду работы без обратной связи потребление энергии не уменьшается даже без нагрузки затруднена работа на высоких скоростях невысокая удельная мощность относительно сложная схема управления.

Существуют три основных типа шаговых двигателей:

двигатели с переменным магнитным сопротивлением двигатели с постоянными магнитами гибридные двигатели Определить тип двигателя можно даже на ощупь: при вращении вала обесточенного двигателя с постоянными магнитами (или гибридного) чувствуется переменное сопротивление вращению, двигатель вращается как бы щелчками. В то же время вал обесточенного двигателя с переменным магнитным сопротивлением вращается свободно. Гибридные двигатели являются дальнейшим усовершенствованием двигателей с постоянными магнитами и по способу управления ничем от них не отличаются. Определить тип двигателя можно также по конфигурации обмоток. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением обычно имеют три (реже четыре) обмотки с одним общим выводом. Двигатели с постоянными магнитами чаще всего имеют две независимые обмотки. Эти обмотки могут иметь отводы от середины. Иногда двигатели с постоянными магнитами имеют 4 раздельные обмотки.

В шаговом двигателе вращающий момент создается магнитными потоками статора и ротора, которые соответствующим образом ориентированы друг относительно друга. Статор изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью и имеет несколько полюсов. Полюс можно определить как некоторую область намагниченного тела, где магнитное поле сконцентрировано. Полюса имеют как статор, так и ротор. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы собраны из отдельных пластин, подобно сердечнику трансформатора. Вращающий момент пропорционален величине магнитного поля, которая пропорциональна току в обмотке и количеству витков. Таким образом, момент зависит от параметров обмоток. Если хотя бы одна обмотка шагового двигателя запитана, ротор принимает определенное положение. Он будет находиться в этом положении до тех пор, пока внешний приложенный момент не превысит некоторого значения, называемого моментом удержания. После этого ротор повернется, и будет стараться принять одно из следующих положений равновесия.

Существует несколько способов управления фазами шагового двигателя.

Первый способ обеспечивается попеременной коммутации фаз, при этом они не перекрываются, в один момент времени включена только одна фаза (рис. 9а). Этот способ называют «one phase on» full step или wave drive mode. Точки равновесия ротора для каждого шага совпадают с «естественными» точками равновесия ротора у незапитанного двигателя. Недостатком этого способа управления является то, что для биполярного двигателя в один и тот же момент времени используется 50% обмоток, а для униполярного — только 25%. Это означает, что в таком режиме не может быть получен полный момент.

Рисунок 9 — Различные способы управления фазами шагового двигателя Второй способ — управление фазами с перекрытием: две фазы включены в одно и то же время. Его называют «two-phase-on» full step или просто full step mode. При этом способе управления ротор фиксируется в промежуточных позициях между полюсами статора (рис. 9б) и обеспечивается примерно на 40% больший момент, чем в случае одной включенной фазы. Этот способ управления обеспечивает такой же угол шага, как и первый способ, но положение точек равновесия ротора смещено на полшага.

Третий способ является комбинацией первых двух и называется полушаговым режимом, «one and two-phase-on» half step или просто half step mode, когда двигатель делает шаг в половину основного. Этот метод управления достаточно распространен, так как двигатель с меньшим шагом стоит дороже и очень заманчиво получить от 100-шагового двигателя 200 шагов на оборот. Каждый второй шаг запитана лишь одна фаза, а в остальных случаях запитаны две (рис. 9в). В результате угловое перемещение ротора составляет половину угла шага для первых двух способов управления. Кроме уменьшения размера шага этот способ управления позволяет частично избавиться от явления резонанса.

Есть так же еще способы управления шаговым двиготелем.

Полушаговый режим. Основным принципом работы шагового двигателя является создание вращающегося магнитного поля, которое заставляет ротор поворачиваться. Вращающееся магнитное поля создается статором, обмотки которого соответствующим образом запитываются.

Для двигателя, у которого запитана одна обмотка, зависимость момента от угла поворота ротора относительно точки равновесия является приблизительно синусоидальной. Эта зависимость для двухобмоточного двигателя, который имеет N шагов на оборот (угол шага в радианах S = (2*pi)/N), показана на рис. 10.

Рисунок 10 — Зависимость момента от угла поворота ротора для одной запитанной обмотки Реально характер зависимости может быть несколько другой, что объясняется неидеальностью геометрии ротора и статора. Пиковое значение момента называется моментом удержания. Формула, описывающая зависимость момента от угла поворота ротора, имеет следующий вид:

T = - Th*sin ((pi/2)/S)*Ф),

где T — момент, Th — момент удержания, S — угол шага, Ф — угол поворота ротора.

Если к ротору приложить внешний момент, который превышает момент удержания, ротор провернется. Если внешний момент не превышает момента удержания, то ротор будет находиться в равновесии в пределах угла шага. Нужно отметить, что у обесточенного двигателя момент удержания не равен нулю вследствие действия постоянных магнитов ротора. Этот момент обычно составляет около 10% максимального момента, обеспечиваемого двигателем. Иногда используют термины «механический угол поворота ротора» и «электрический угол поворота ротора». Механический угол вычисляется исходя из того, что полный оборот ротора составляет 2*pi радиан. При вычислении электрического угла принимается, что один оборот соответствует одному периоду угловой зависимости момента. Для приведенных выше формул Ф является механическим углом поворота ротора, а электрический угол для двигателя, имеющего 4 шага на периоде кривой момента, равен ((pi/2)/S)*Ф или (N/4)*Ф, где N — число шагов на оборот. Электрический угол фактически определяет угол поворота магнитного поля статора и позволяет строить теорию независимо от числа шагов на оборот для конкретного двигателя. Если запитать одновременно две обмотки двигателя, то момент будет равен сумме моментов, обеспечиваемых обмотками по отдельности (рис. 11).

Рисунок 11 — Зависимость момента от угла поворота ротора для двух запитанных обмоток При этом если токи в обмотках одинаковы, то точка максимума момента будет смещена на половину шага. На половину шага сместится и точка равновесия ротора (точка e на рис. 11). Этот факт и положен в основу реализации полушагового режима. Пиковое значение момента (момент удержания) при этом будет в корень из двух раз больше, чем при одной запитанной обмотке.

Th2 = 2 0.5*Th1,

где Th2 — момент удержания при двух запитанных обмотках, Th1 — момент удержания при одной запитанной обмотке.

Именно этот момент обычно и указывается в характеристиках шагового двигателя.

Величина и направление магнитного поля показаны на векторной диаграмме (рис. 12).

Рисунок 12 — Величина и направление магнитного поля для разных режимов питания фаз Оси X и Y совпадают с направлением магнитного поля, создаваемого обмотками первой и второй фазы двигателя. Когда двигатель работает с одной включенной фазой, ротор может занимать положения 1, 3, 5, 7. Если включены две фазы, то ротор может занимать положения 2, 4, 6, 8. К тому же, в этом режиме больше момент, так как он пропорционален длине вектора на рисунке. Оба эти метода управления обеспечивают полный шаг, но положения равновесия ротора смещены на полшага. Если скомбинировать два этих метода и подать на обмотки соответствующие последовательности импульсов, то можно заставить ротор последовательно занимать положения 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, что соответствует половинному шагу.

По сравнению с полношаговым режимом, полушаговый режим имеет следующие преимущества: более высокая разрешающая способность без применения, более дорогих двигателей; меньшие проблемы с явлением резонанса. Резонанс приводит лишь к частичной потере момента, что обычно не мешает нормальной работе привода. Недостатком полушагового режима является довольно значительное колебание момента от шага к шагу. В тех положениях ротора, когда запитана одна фаза, момент составляет примерно 70% от полного, когда запитаны две фазы. Эти колебания могут явиться причиной повышенных вибраций и шума, хотя они всё равно остаются меньшими, чем в полношаговом режиме.

Для полушагового режима очень важным является переход в состояние с одной выключенной фазой. Чтобы заставить ротор принять соответствующее положение, ток в отключенной фазе должен быть уменьшен до нуля как можно быстрее. Длительность спада тока зависит от напряжения на обмотке в то время, когда она теряет свою запасенную энергию. Замыкая в это время обмотку на источник питания, который представляет максимальное напряжение, имеющееся в системе, обеспечивается максимально быстрый спад тока.

Для увеличения скорости спада тока при управлении униполярными двигателями подавление выбросов ЭДС самоиндукции предпочтительнее осуществлять не диодами, а варисторами или комбинацией диодов и стабилитрона, которые ограничат выброс на большем, но безопасном для транзисторов уровне.

Микрошаговый режим обеспечивается путем получения поля статора, вращающегося более плавно, чем в полноили полушаговом режимах. В результате обеспечиваются меньшие вибрации и практически бесшумная работа вплоть до нулевой частоты. К тому же меньший угол шага способен обеспечить более точное позиционирование. Существует много различных микрошаговых режимов, с величиной шага от 1/3 полного шага до 1/32 и даже меньше. Шаговый двигатель является синхронным электродвигателем. Это значит, что положение равновесия неподвижного ротора совпадает с направлением магнитного поля статора. При повороте поля статора ротор тоже поворачивается, стремясь занять новое положение равновесия.

Рисунок 13 — Зависимость момента от угла поворота ротора в случае разных значений тока фаз Если одновременно запитаны две обмотки двигателя, но токи в этих обмотках не равны (рис. 13), то результирующий момент будет

Th = (a2 + b2)0.5,

а точка равновесия ротора сместится в точку

x = (S / (pi/2)) arctan (b / a),

где a и b — момент, создаваемый первой и второй фазой соответственно, Th — результирующий момент удержания, x — положение равновесия ротора в радианах, S — угол шага в радианах.

Смещение точки равновесия ротора говорит о том, что ротор можно зафиксировать в любой произвольной позиции. Для этого нужно лишь правильно установить отношение токов в фазах. Именно этот факт используется при реализации микрошагового режима. Ещё раз нужно отметить, что приведенные выше формулы верны только в том случае, если зависимость момента от угла поворота ротора синусоидальная и если ни одна часть магнитной цепи двигателя не насыщается.

Результатом использования микрошагового режима является более плавное вращение ротора на низких частотах. На частотах в 2 — 3 раза выше собственной резонансной частоты ротора и нагрузки, микрошаговый режим дает незначительные преимущества по сравнению с полуили полношаговым режимами. Причиной этого является фильтрующее действие инерции ротора и нагрузки. Система с шаговым двигателем работает подобно фильтру нижних частот. В микрошаговом режиме можно осуществлять только разгон и торможение, а основное время работать в полношаговом режиме. К тому же, для достижения высоких скоростей в микрошаговом режиме требуется очень высокая частота повторения микрошагов, которую не всегда может обеспечить управляющий микроконтроллер. Для предотвращения переходных процессов и потери шагов, переключения режимов работы двигателя (из микрошагового режима в полношаговый и т. п.) необходимо производить в те моменты, когда ротор находится в положении, соответствующем одной включенной фазе.

На практике при осуществлении каждого шага ротор не сразу останавливается в новом положении равновесия, а осуществляет затухающие колебания вокруг положения равновесия. Время установления зависит от характеристик нагрузки и от схемы драйвера. Во многих приложениях такие колебания являются нежелательными. Избавиться от этого явления можно путем использования микрошагового режима. На рис. 14 показаны перемещения ротора при работе в полношаговом и микрошаговом режимах.

Рисунок 14 — Перемещения ротора в полношаговом и микрошаговом режимах Видно, что в полношаговом режиме наблюдаются выбросы и колебания, в то время как в микрошаговом режиме их нет. Однако и в этом режиме график положения ротора отличается от прямой линии. Эта погрешность объясняется погрешностью геометрии деталей двигателя и может быть уменьшена путем проведения калибровки и последующей компенсации путем корректировки токов фаз.

Идеальный шаговый двигатель при питании фаз синусоидальным и косинусоидальным током должен вращаться с постоянной скоростью. У реального двигателя в таком режиме будут наблюдаться некоторые колебания скорости. Связано это с нестабильностью воздушного зазора между полюсами ротора и статора, наличием магнитного гистерезиса, что приводит к погрешностям величины и направления магнитного поля и т. д. Поэтому положения равновесия и момент имеют некоторые отклонения. Эти отклонения зависят от погрешности формы зубцов ротора и статора и от примененного материала магнитопроводов.

Конструкция некоторых двигателей оптимизирована для наилучшей точности в полношаговом режиме и максимального момента удержания. Специальная форма зубцов ротора и статора спроектирована так, чтобы в положении равновесия для полношагового режима магнитный поток сильно возростал. Это приводит к ухудшению точности в микрошаговом режиме. Лучшие результаты позволяют получить двигатели, у которых момент удержания в обесточенном состоянии меньше.

Если измерить положения равновесия ротора при вращении двигателя по и против часовой стрелки, то получатся несколько разные результаты. Этот гистерезис связан в первую очередь с магнитным гистерезисом материала сердечника, хотя свой вклад вносит и трение. Магнитный гистерезис приводит к тому, что магнитный поток зависит не только от тока обмоток, но и от предыдущего его значения. Погрешность, создаваемая гистерезисом, может быть равна нескольким микрошагам. Поэтому в высокоточных приложениях при движении в одном из направлений нужно проходить за желаемую позицию, а затем возвращаться назад, чтобы подход к нужной позиции всегда осуществлялся в одном направлении.

Эти проблемы наиболее ярко выражены для двигателей с большим количеством полюсов.

Еще один источник погрешностей позиционирования — это ошибка квантования ЦАП, с помощью которого формируются токи фаз. Дело в том, что ток должен формироваться по синусоидальному закону, поэтому для минимизации погрешности линейный ЦАП должен иметь повышенную разрядность.

Даже если ЦАП точно сформировал синусоидальное опорное напряжение, его нужно усилить и превратить в синусоидальный ток обмоток. Многие драйверы имеют значительную нелинейность вблизи нулевого значения тока, что вызывает значительные искажения формы и, как следствие, значительные ошибки позиционирования.

Иногда контроллеры шаговых двигателей позволяют корректировать форму выходного сигнала путем добавления или вычитания из синуса его третьей гармоники. Однако, такая подстройка должна, производится индивидуально под конкретный двигатель, характеристики которого должны быть перед этим измерены.

Из-за этих ограничений микрошаговый режим используется в основном для обеспечения плавного вращения (особенно на очень низких скоростях), для устранения шума и явления резонанса.

Синусоидальный ток фаз может быть обеспечен применением специальных драйверов.

Для питания обычного двигателя постоянного тока требуется лишь источник постоянного напряжения, а необходимые коммутации обмоток выполняются коллектором. С шаговым двигателем всё сложнее. Все коммутации должен выполнять внешний контроллер. В настоящее время примерно в 95% случаев для управления шаговыми двигателями используются микроконтроллеры. В простейшем случае для управления шаговым двигателем в полношаговом режиме требуются всего два сигнала, сдвинутые по фазе на 90 градусов. Направление вращения зависит от того, какая фаза опережает. Скорость определяется частотой следования импульсов. В полушаговом режиме всё несколько сложнее и требуется уже минимум 4 сигнала. Все сигналы управления шаговым двигателем можно сформировать программно, однако это вызовет большую загрузку микроконтроллера. Поэтому чаще применяют специальные микросхемы драйверов шагового двигателя, которые уменьшают количество требуемых от процессора динамических сигналов. Типично эти микросхемы требуют тактовую частоту, которая является частотой повторения шагов и статический сигнал, который задает направление. Иногда еще присутствует сигнал включения полушагового режима. Для микросхем драйверов, которые работают в микрошаговом режиме, требуется большее количество сигналов.

Мощность, которая требуется от драйвера, зависит от размеров двигателя и составляет доли ватта для маленьких двигателей и до 10−20 ватт для больших двигателей. Максимальный уровень рассеиваемой мощности ограничен нагревом двигателя. Максимальная рабочая температура обычно указывается производителем, но можно приблизительно считать, что нормальной является температура корпуса 90 градусов.

Для данного размера шагового двигателя место, занимаемое обмотками, ограничено. Поэтому очень важно сконструировать драйвер так, чтобы для данных параметров обмоток обеспечить наилучшую эффективность.

Схема драйвера должна выполнять три главных задачи:

иметь возможность включать и выключать ток в обмотках, а также менять его направление поддерживать заданное значение тока обеспечивать как можно более быстрое нарастание и спад тока для хороших скоростных характеристик.

1.4 Теория микропроцессорного управления

Современное техническое оборудование предполагает обязательное использование ЭВМ в профессиональной деятельности инженера, конструктора или технолога. Уникальность применения МПС состоит, прежде всего, в том, что, не изменяя как таковое физическое устройство ЭВМ, ее аппаратуру, можно заставить компьютер выполнять самые различные функции, превращая его либо в систему автоматического проектирования сложных устройств, либо в обучающее устройство, либо в игровой автомат.

Важно помнить, что главный смысл компьютерной революции заключается в качественно новом характере повышения уровня автоматизации в большинстве сфер производственной деятельности, что позволяет повысить производительность труда, снизить себестоимость выпускаемой продукции и значительно сократить ручные операции.

При создании автоматизированных систем различного назначения в качестве их основы широко используются два класса средств цифровой техники:

а) устройства с жесткой структурой, выполненные на базе цифровых логических схем;

б) электронные вычислительные машины (ЭВМ).

Устройства с жесткой структурой обычно содержат большое число интегральных схем (ИС) малой и средней степени интеграции. Эти схемы устанавливаются на платах, а их выводы соединяются в соответствии с реализуемыми функциями. Любое изменение функций требует изменения схемы (т. е. перепайки соединений, замены ИС), конструкции, проверочных тестов. Поэтому главные недостатки устройств с жесткой структурой — большое время проектирования и изготовления и трудности внесения изменений.

Системы на основе ЭВМ могут легко перестраиваться с реализации одной функции на другую, для этого достаточно составить и занести в память новую программу. При использовании серийных ЭВМ это значительно сокращает сроки проектирования, изготовления и настройки системы. Однако высокая стоимость ЭВМ часто делает экономически нецелесообразной разработку цифровых систем на основе этого подхода.

Успехи полупроводниковой технологии привели к появлению больших интегральных схем (БИС) с плотностью размещения компонентов до десятков тысяч транзисторов на кристалле. Использование БИС позволяет значительно повысить эффективность цифровых систем — увеличить их производительность и надежность, уменьшить габариты, массу, потребляемую мощность. Таким образом, появляется возможность устройства с жесткой аппаратной логикой выполнять на основе заказных специализированных БИС. Но стоимость заказных БИС, определяемая объемом их выпуска, является слишком высокой для изготовителей БИС. Поэтому, как правило, заказные БИС экономически невыгодны ни для изготовителей ИС, ни для изготовителей цифровых систем. Применение заказных БИС может быть оправдано или при весьма ответственном назначении цифровой системы или при высокой серийности системы или отдельных БИС, например калькуляторов, электронных часов.

Указанные обстоятельства привели к появлению нового подхода к проектированию цифровых систем — на основе программируемой логики. Этот подход предполагает использование при построении систем стандартной универсальной БИС (одной или нескольких), работающих под программным управлением, которая получила название микропроцессора (МП). Таким образом, если разработчик систем на основе устройств с жесткой структурой для реализации необходимых функций может пользоваться только аппаратными средствами, то при построении систем на основе программируемой логики он получает в свое распоряжение, как аппаратные, так и программные средства.

Цифровые электронные устройства строятся на схемах способных находиться в двух состояниях. Если этим состояниям поставить в соответствие символы 1 и 0, то любому числу, букве или символу можно приписать определенное сочетание единиц и нулей. Представление чисел с помощью двух цифр 1 и 0 получило название двоичной или бинарной системы счисления (в основании системы лежит число 2). Каждый разряд двоичной записи числа называют битом.

Любое число в системе с любым основанием можно записать в виде суммы, где слагаемыми являются весовые коэффициенты, умноженные на значащую цифру.

Существуют различные критерии для классификации ЭВМ, из которых наиболее распространены следующие:

По назначению: общего пользования (универсальные), ориентированные на решение разнообразных задач.

По быстродействию: малые (до 100 тыс. операций в секунду), средние (до 500 тыс.), большие (до 1,5 млн.), сверхбольшие (свыше 1,5 млн. операций в секунду).

Здесь указано быстродействие центрального процессора. Реальное быстродействие ЭВМ существенно ниже за счет «медленных» устройств ввода-вывода.

По составу оборудования: базовые, включающие стандартный минимальный комплект для поставки потребителю; типовые, включающие комплект оборудования, наиболее используемый в настоящее время; специализированные, включающие комплект оборудования, поставляемого по спецификации заказчика.

Применение МП позволило создать новый класс вычислительной техники — микропроцессорные системы, обобщенная логическая структура которых приведена на рис. 15.

Рисунок 15 — Обобщенная логическая структура МП Центральное место в этой структуре занимает микропроцессор, который выполняет арифметические и логические операции над данными, осуществляет программное управление процессом обработки информации, организует взаимодействие всех устройств, входящих в систему. Работа МП происходит под воздействием сигналов схемы синхронизации и начальной установки, часто выполняемой в виде отдельного кристалла.

Показанный на рис. 15 МП может представлять собой или однокристальный МП с фиксированной системой команд или многокристальный МП с микропрограммным управлением.

Представленная на рис. 15 структура отражает магистрально-модульный принцип организации микропроцессорных устройств и систем. Отдельные блоки являются функционально законченными модулями со своими встроенными схемами управления, выполненными в виде одного или нескольких кристаллов БИС или СБИС. Межмодульные связи и обмен информацией между модулями осуществляются посредством коллективных шин (магистралей), к которым имеют доступ все основные модули системы. В каждый данный момент времени возможен обмен информацией только между двумя модулями системы.

2. Практическая часть

2.1 Составление структурной схемы системы управления

Структурная схема разрабатывается на начальных стадиях проектирования и предшествует разработке схем других типов. Структурная схема определяет основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи между ними. Схема отображает принцип действия изделия в самом общем виде.

Действительное расположение составных частей на структурной схеме не учитывают и способ связи не раскрывают. Построение схемы должно давать наглядное представление о:

— состав изделия,

— последовательности взаимодействия функциональных частей в изделии.

На схеме (рис. 16) приняты следующие обозначения для функциональных частей изделия:

МК — микроконтроллер;

СИП — стабилизирующий источник питания;

ДШД — драйверы шаговых двигателей;

ШД — шаговые двигатели;

ДТ — датчик тока;

Компаратор;

ИОН — источник опорного напряжения;

Гироскоп/Акселерометр;

Индикаторы;

ПСДУ — приемник системы дистанционного управления;

ПДУ — пульт (передатчик) системы дистанционного управления, предназначенный для взаимодействия с человеком — оператором.

Рисунок 16 — структурная схема

2.2 Практическая реализация управления шаговыми двигателями

Драйвер шагового двигателя должен решать две основные задачи: это формирование необходимых временных последовательностей сигналов и обеспечение необходимого тока в обмотках.

Далее будет использоваться следующая терминология: «контроллер» — микросхема, ответственная за формирование временных последовательностей; «драйвер» — мощная схема питания обмоток двигателя. Однако термины «драйвер» и «контроллер» могут также обозначать законченное устройство управления шаговым двигателем.

На практике можно обойтись и без специализированных микросхем. Например, все функции контроллера можно реализовать программно, а в качестве драйвера применить набор дискретных транзисторов. Однако при этом микроконтроллер будет сильно загружен, а схема драйвера может получиться громоздкой. Несмотря на это, в некоторых случаях такое решение будет экономически выгодным.

Самый простой драйвер требуется для управления обмотками униполярного двигателя. Для этого подходят простейшие ключи, в качестве которых могут быть использованы биполярные или полевые транзисторы. Достаточно эффективны мощные МОП-транзисторы, управляемые логическим уровнем, такие как IRLZ34, IRLZ44, IRL540. У них сопротивление в открытом состоянии менее 0.1ом и допустимый ток порядка 30А. Существуют также специальные микросхемы, которые содержат внутри несколько мощных транзисторных ключей. Необходимо отметить, что эти микросхемы пригодны не только для питания обмоток шаговых двигателей, но и для питания любых других нагрузок.

Кроме простых микросхем драйверов существуют и более сложные микросхемы, имеющие встроенный контроллер, PWM-регулировку тока и даже ЦАП для микрошагового режима.

Схема управления ключами может быть выполнена на дискретных компонентах или в виде специализированной микросхемы. Довольно популярной микросхемой, реализующей ШИМ-стабилизацию тока, является L297 фирмы SGS-Thomson.

Микросхема L297 сильно разгружает управляющий микроконтроллер, так как от него требуется только тактовая частота CLOCK (частота повторения шагов) и несколько статических сигналов: DIRECTION — направление (сигнал внутренне синхронизирован, переключать можно в любой момент), HALF/FULL — полушаговый/полношаговый режим, RESET — устанавливает фазы в исходное состояние (ABCD = 0101), ENABLE — разрешение работы микросхемы, V ref — опорное напряжение, которое задает пиковую величину тока при ШИМ-регулировании. Кроме того, имеется несколько дополнительных сигналов. Сигнал CONTROL задает режим работы ШИМ-регулятора. При его низком уровне ШИМ-регулирование происходит по выходам INH1, INH2, а при высоком — по выходам ABCD. SYNC — выход внутреннего тактового генератора ШИМ. Он служит для синхронизации работы нескольких микросхем. Также может быть использован как вход при тактировании от внешнего генератора. HOME — сигнал начального положения (ABCD = 0101). Он используется для синхронизации переключения режимов HALF/FULL. В зависимости от момента перехода в полношаговый режим микросхема может работать в режиме с одной включенной фазой или с двумя включенными фазами.

Ключевое регулирование реализуют и многие другие микросхемы. Некоторые микросхемы обладают теми или иными особенностями, например драйвер LMD18T245 фирмы National Semiconductor не требует применения внешнего датчика тока, так как он реализован внутри на основе одной ячейки ключевого МОП-транзистора.

Выбор типа драйвера. Максимальный момент и мощность, которую может обеспечить на валу шаговый двигатель, зависит от размеров двигателя, условий охлаждения, режима работы (отношения работа/пауза), от параметров обмоток двигателя и от типа применяемого драйвера. Тип применяемого драйвера сильно влияет на мощность на валу двигателя. При одной и той же рассеиваемой мощности драйвер с импульсной стабилизацией тока обеспечивает выигрыш в моменте на некоторых скоростях до 5 — 6 раз, по сравнению с питанием обмоток номинальным напряжением. При этом также расширяется диапазон допустимых скоростей.

Технология приводов на основе шаговых двигателей постоянно развивается. Развитие направлено на получение наибольшего момента на валу при минимальных габаритах двигателя, широких скоростных возможностей, высокого КПД и улучшенной точности. Важным звеном этой технологии является применение микрошагового режима.

На практике немаловажным является и время разработки привода на основе шагового двигателя. Разработка специализированной конструкции для каждого конкретного случая требует значительных затрат времени. С этой точки зрения предпочтительней применять универсальные схемы управления на основе PWM стабилизации тока, несмотря на их более высокую стоимость.

Для управления шаговым двигателем при помощи микроконтроллера был применён силовой каскад, так как сам микроконтроллер не выдержит нагрузки, если подключить униполярный шаговый двигатель напрямую к его портам. В силовом каскаде в качестве ключевых транзисторов выбраны контроллеры с 9-канальными драйверами HA13408, способные коммутировать ток до 1,5 А. Силовой каскад является промежуточным звеном между микроконтроллером и двигателем.

Далее представлена схема (рис. 17) и внешний вид (рис. 18) драйвера.

Рисунок 17 — Схема драйвера Рисунок 18 — Внешний вид драйвера

2.3 Особенности системы управления на микроконтроллере

Программное обеспечение контроллера движения предназначено для решения основных системных задач и задач управления движением робота. Оно должно обеспечивать выполнение следующих функций: поддержка аппаратных средств; управление электроприводом; расчет траектории движения; наблюдение за состоянием системы; взаимодействие с терминальным устройством; выполнение системных подпрограмм; выполнение управляющих программ пользователя.

Рисунок 19 — Программное обеспечение контроллера Под поддержкой аппаратных средств понимается набор подпрограмм, обеспечивающих взаимодействие с электрооборудованием системы управления и периферийными устройствами. Данные подпрограммы предназначены для реализации таких задач как опрос датчиков, организация работы интерфейсов передачи данных, опроса состояния тележки и других компонентов системы управления. Кроме того, на данном уровне выполняется задача синхронизации расчетных процессов, реализуемых на контроллере движения согласно разработанной таблице приоритетов.

Управление электроприводом включает опрос каналов обратной связи, алгоритмы координатных преобразований, расчет параметров регуляторов, формирование управляющих сигналов, коммутацию силовых ключей.

К основным типам двигателей, используемых в настоящее время в роботах, следует отнести: шаговые, постоянного тока, вентильные. В перспективе возможно использование асинхронных двигателей как наиболее дешевых и надежных. Алгоритмы управления указанными типами двигателя должны быть реализованы непосредственно в контроллере движения. Это позволит получать информацию о переменных состояния двигателей и электромеханической системы в целом. К основным опрашиваемым параметрам относятся токи, моменты и координаты двигателей. Они могут быть использованы для создания сложных алгоритмов управления и наблюдения за его текущим состоянием.

Средства наблюдения предназначены для осуществления обмена информацией о состоянии отдельных компонентов системы управления, а также для защиты от возможных сбоев в работе аппаратного и программного обеспечения. К ним относятся сторожевые таймеры, внешние датчики и измерители физических величин, позволяющие определить возникновение различных проблемных ситуаций, а также программные счетчики и параметры, необходимые для первичной оценки поведения робота и выполнения задач движения.

Средства взаимодействия с терминальным устройством предназначены для обмена данными и управляющей информацией с пользователем посредством терминального устройства. К ним относятся различные буферы для передачи информации, средства интерфейса с переменными состояния системы. Взаимодействие осуществляется по существующим в составе системы управления средствам передачи данными между блоком управления и терминального устройства.

Для выполнения системных подпрограмм высокого уровня, необходимых для обеспечения работы системы управления, существует уровень программного обеспечения, выполняемый на контроллере движения в фоновом режиме и осуществляющий обновление различных данных, наблюдение за характеристиками системы управления, а также синхронизацию процессов в пользовательских программах. Критические задачи, требующие немедленной реакции, такие как обработка ошибок, могут выполняться с более высоким уровнем приоритета.

В связи с тем, что для работы системы управления робота необходимо обеспечивать выполнение различных задач, возникает вопрос о распределении между ними временного ресурса. На рисунке 22 показано распределение выполняемых процессов по уровням приоритетов и примерное соотношение частот их обновления в рамках одного приоритета. Основные задачи, связанные с взаимодействием с оборудованием системы управления и коммутацией управляемых двигателей, относятся к наиболее высокому приоритету. Такое решение позволяет поддерживать систему управления в рабочем состоянии независимо от времени, которое будут занимать задачи более низких уровней.

Рисунок 20 — Распределение задач программного обеспечения контроллера движения по уровням приоритета Задачи второго уровня отвечают за формирование траектории движения и обновление состояния системы управления через системные программы. Предоставление им данного приоритета позволяет гарантировать, что они будут выполняться с определенной частотой.