Лекция 8.3. Примеры интеллектуальных мехатронных исполнительных механизмов

Примером интеллектуального мехатронного ИМ может служить рассмотренная далее система векторного частотного управления трехфазным асинхронным двигателем АД.

Первоначально разработанные системы векторного управления на дискретных элементах(см.рис.3.8) содержали большое число нелинейных блоков, сложных в настройке и чувствительных к изменению параметров. Применявшаяся аппаратура не могла выполнять быстрое и точное измерение положения ротора и вычисление в реальном масштабе времени вектора магнитного потока.

В настоящее время наличие прецизионных оптических кодировщиков, высокоскоростных ротационных аналого-цифровых преобразователей (РЦП) и высокоскоростных цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) выдвинула векторное управление на передний край и позволило создать интеллектуальные мехатронные ИМ с широким диапазоном регулирования скорости с надежными АД.

Рисунок 8.2

Упрощенная блок-схема такого ИМ с асинхронным двигателем АД показана на рис. 8.2. В этой схеме функции управления и контроля выполняет контроллер на базе ЦСП в виде ИС типа АDMC300, ADMC330 или ADMC331. Входами для ЦСП являются токи двигателя (обычно три фазы), положение ротора и скорость двигателя. Для измерения токов часто используются датчики на основе эффекта Холла. Вращающийся трансформатор СКВТ преобразует с высокой точностью угол поворота ротора двигателя в аналоговый электрический сигнал. Преобразователь РЦП преобразует этот сигнал в цифровую форму и дополнительно вырабатывает сигнал, пропорциональный угловой скорости ротора. При этом отпадает необходимость в отдельном датчике скорости.

Для выполнения необходимых вычислений векторного управления в реальном масштабе времени используются процессор цифровой обработки сигналов ПЦОС и процессор векторного преобразования ПВП сигнального процессора. Результаты вычисления служат для управления инверторами.

ИС ADMC300 включает в себя 5-канальный 16-разрядный АЦП с высоким разрешением, 12-разрядный трехфазный широтно-импульсный модулятор (ШИМ) для регулирования напряжения постоянного тока на входе инвертора и гибкий интерфейс кодировщика для датчика положения обратной связи.

Другим примером интеллектуального мехатронного исполнительного механизма может служить устройство автоматического наведения приемной антенны спутникового телевидения на заранее запрограммированные позиции при переключении каналов. Эти устройства иногда называют многооборотными актюаторами.

Рисунок 8.3

Актюатор представляет собой цифровой позиционирующий электропривод (рис.8.3) ,состоящий из следующих функциональных узлов:

ИДПТ – исполнительный двигатель постоянного тока со встроенным редуктором;

ДУ – датчик угла типа магнитного или оптического энкодера, преобразующего угол поворота в импульсный код; магнитный или оптический ротор энкодера механически соединяется с выходным валом ИДПТ, а на статоре размещаются чувствительные элементы (магнитные резисторы, датчики Холла, фотодиоды) и электронная схема формирования импульсного кода;

МК – микропроцессорный контроллер, который воспринимает информацию энкодера о действительном положении антенны, сравнивает ее с заданным по команде пульта управления телевизором и формирует команду для управления двигателем;

СП – силовой преобразователь для реализации управления двигателем;

А – антенна.

Успехи современных мехатронных технологий позволили создать актюаторы, в которых в едином конструктиве собраны вместе двигатель постоянного тока мощностью от 10 до 50Вт; встроенный редуктор с передаточным отношением 45; абсолютный многооборотный магнитный энкодер с разрешением до 20бит; силовая плата для управления двигателем на напряжение 24В, осуществляющая пуск и динамическое торможение двигателя; а также процессор микроконтроллера с CAN-bus шиной. Электронная схема преобразования энкодера, БИС процессора и модуль СП монтируются на одной печатной плате ПП, которая размещается в корпусе энкодера. Фланец корпуса энкодера крепится непосредственно к фланцу корпуса двигателя.