Составитель: А. М. Кабышев - Северо

ОСНОВЫ
РОБОТОТЕХНИКИ
Методические указания
по выполнению лабораторных работ
для студентов, обучающихся по направлению подготовки
210100.62 «Электроника и наноэлектроника»,
профиль «Промышленная электроника»
Составитель: А. М. Кабышев
Владикавказ 2015
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»
Кафедра «Промышленная электроника»
ОСНОВЫ
РОБОТОТЕХНИКИ
Методические указания
по выполнению лабораторных работ
для студентов, обучающихся по направлению подготовки
210100.62 «Электроника и наноэлектроника»,
профиль «Промышленная электроника»
Составитель: А. М. Кабышев
Допущено
редакционно-издательским советом
Северо-Кавказского горно-металлургического института
(государственного технологического университета).
Протокол заседания РИСа № 4 от 16.07.2014 г.
Владикавказ 2015
1
УДК 681.5
ББК 32.816
К12
Рецензент: доктор технических наук,
профессор Северо-Кавказского горно-металлургического института
( государственного технологического университета)
Хмара В. В.
К12
Основы робототехники: Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов, обучающихся по
направлению подготовки 210100.62 – «Электроника и наноэлектроника» / Сост.: А. М. Кабышев; Северо-Кавказский горнометаллургический институт (государственный технологический
университет). – Владикавказ: Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). Изд-во «Терек», 2015. – 30 с.
Сборник содержит методические указания к пяти лабораторным работам по курсу «Основы робототехники», в которых дается краткая теоретическая часть, описание лабораторного макета, возможные варианты
заданий, контрольные вопросы.
Макеты к лабораторным работам выполнены на базе учебного
микропроцессорного комплекта (УМК) (паспорт РРЭ.059.004 ПС) и
персонального компьютера.
Основной целью лабораторных работ, приведенных в сборнике,
является изучение схемотехнических решений и основ разработки
программного обеспечения роботизированных систем.
УДК 681.5
ББК 32.816
Редактор: Боциева Ф. А.
Компьютерная верстка: Кравчук Т. А.
 Составление. ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский
горно-металлургический институт (государственный
технологический университет)», 2015
 А. М. Кабышев, составление, 2015
Подписано в печать 06.11.15. Формат бумаги 60х84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Таймс».
Печать на ризографе. Усл. п.л. 1,8. Уч.-изд.л. 1,2. Тираж
экз. Заказ № ____.
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный
технологический университет). Изд-во «Терек».
Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ).
362021. Владикавказ, ул. Николаева, 44.
2
Содержание
Лабораторная работа 1. Применение аналого-цифровых
и цифро-аналоговых преобразователей в роботизированных
системах ........................................................................................................... 4
Лабораторная работа 2. Передача информации через
параллельный порт компьютера ................................................................... 9
Лабораторная работа 3. Инфракрасный канал передачи
информации ..................................................................................................... 14
Лабораторная работа 4. Применение преобразователей
электрической энергии в роботизированных системах ............................... 21
Лабораторная работа 5. Основные принципы управления
электроприводами промышленных роботов................................................. 27
3
Лабораторная работа 1
ПРИМЕНЕНИЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ
И ЦИФРО-АНАЛОГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
В РОБОТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ
Цель работы: изучение основных принципов построения схем и
разработки программного обеспечения для микропроцессорных систем управления технологическим оборудованием.
Основные теоретические положения
В настоящее время микропроцессорные системы находят широкое применение для управления разнообразными технологическими
процессами, особенно они незаменимы в условиях, когда в течение
технологического цикла требуется многократное изменение режимов
работы оборудования. В качестве исполнительных устройств в роботизированных системах широкое применение находят вентильные
преобразователи (электропривод, электротермия, электрохимия и
т. д.).
Для поддержания на заданном уровне того или иного технологического параметра (температура, ток, напряжение и т. д.) применяют
системы с обратной связью по контролируемому параметру. Так, система с обратной связью по току должна содержать датчик тока (ДТ),
аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микропроцессорную систему (МС), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и систему фазового управления вентильным преобразователем (СУ).
Сигнал с ДТ преобразуется АЦП в цифровую форму и обрабатывается МС. Микропроцессорная система с помощью ЦАП формирует
уровень сигнала управления, поступающего на вход СУ и определяющего величину угла управления тиристорами преобразователя.
Описание лабораторного макета
Лабораторный макет состоит из учебного микропроцессорного
комплекта (УМК), интерфейса АЦА и вентильного преобразователя
(ВП). Интерфейс АЦА состоит АЦП и ЦАП.
Принципиальная схема ВП показана на рис. 1.1. ВП выполнен на
основе схемы управляемого выпрямителя и состоит из трансформатора ТР, выпрямительного моста VD1 и оптотиристора VD2. Нагруз4
кой схемы служит переменный резистор R4, напряжение на котором
можно контролировать с помощью осциллографа. Резистор R1 выполняет функции датчика тока. Элементы R2, R3, C1 образуют делитель и
фильтр для сигнала обратной связи, поступающего с R1 на АЦП интерфейса АЦА. Величина тока или напряжения на нагрузке (в зависимости от положения переключателя S2) измеряется с помощью прибора V/A. Для управления оптотиристором служит система управления, состоящая из схемы синхронизации ( обмотка трансформатора и
мост VD3), генератора пилообразного напряжения ( VT1, C2 ), компаратора (операционный усилитель) и формирователя импульсов управления ( VT2 ). ВП может работать в автономном режиме (регулирование напряжения на нагрузке осуществляется с помощью потенциометра R9) или в автоматическом режиме. Выбор режима зависит от
положения переключателя S3.
Рис. 1.1. Схема вентильного преобразователя
На рис. 1.2 показана схема интерфейса АЦА, состоящая из АЦП
(К1113ПВ1А ), ЦАП ( К572ПА1А и КР574УД1А ), элементов формирования сигналов управления и преобразователя напряжения, который служит для получения напряжения 15 В.
5
Рис. 1.2. Схема интерфейса
Обмен информацией между ЦАП, АЦП и микропроцессором
осуществляется с помощью микросхем ППА. Для подготовки ЦАП и
АЦП к работе необходимо выполнить последовательность команд
инициализации микросхем ППА:
MVI A,9AH
OUT 83H
MVI A,80H
OUT 43H
Ввод аналогового сигнала по каналу АЦП (сигнал обратной связи) осуществляется программой ввода:
MVI A,FFH
OUT 82H
MVI A,00H
OUT 82H
сброс АЦП
M1:IN 82H
ANI FFH
6
JNZ M1
IN 81H
ожидание готовности
чтение АЦП
Вывод аналогового сигнала по каналу ЦАП (сигнал управления
вентильным преобразователем) осуществляется программой:
MVI A, data
OUT 41H
Для стабилизации величины тока нагрузки вентильного преобразователя на заданном уровне возможно применение следующего алгоритма управления:
1. Инициализация микросхем ППА.
2. Программа ввода. Считать АЦП и запомнить результат чтения
в регистре В.
3. Временная пауза.
4. Программа ввода. Считать АЦП. Сравнить содержимое регистров А и В. Если содержимое регистра А меньше, чем В, то необходимо в регистр А передать содержимое регистра С и содержимое регистра А уменьшить на 1. В противном случае необходимо в регистр
А передать содержимое регистра С и содержимое регистра А увеличить на 1.
5. Содержимое регистра А запомнить в регистре С.
6. Выполнить команду OUT 41H (вывод по каналу ЦАП).
7. Передать управление в блок 3 этого алгоритма (временная пауза).
Работа алгоритма состоит в следующем:
В автономном режиме работы ВП необходимо установить требуемую величину тока нагрузки и «запустить программу». При выполнении программы происходит считывание и запоминание в регистре В
величины сигнала обратной связи, соответствующего установленной
величине тока нагрузки. Если переключить ВП в режим автоматического управления, то осуществляется стабилизация величины тока
нагрузки на заданном уровне (при изменении сопротивления нагрузки), так как микропроцессор постоянно считывает сигнал обратной
связи, и если он оказывается больше или меньше заданной величины,
то происходит коррекция сигнала управления вентильным преобразователем. Временная пауза (блок 3) задает длительность переходного
процесса в цепи обратной связи (подбирается при настройке системы).
7
Аналогичным образом строится алгоритм контроля таких параметров технологического процесса, как: освещенность, температура,
влажность и т. д.
Лабораторное задание
На основе приведенного выше алгоритма составить программу
для микропроцессорной системы.
Порядок выполнения работы
1. Включить УМК.
2. Включить ВП.
3. Ввести программу в память системы.
4. Переключить ВП в автономный режим и установить величину
тока нагрузки.
5. «Запустить» программу.
6. Переключить ВП в автоматический режим и, меняя величину
нагрузки, контролировать ток. При отсутствии в программе ошибок,
ток нагрузки стабилизируется на заданном уровне. С помощью осциллографа контролировать форму напряжения на нагрузке.
Порядок оформления отчета
Отчет должен содержать схему лабораторного макета и текст
программы.
Контрольные вопросы
1. Назначение и взаимодействие АЦП, ЦАП, ППА.
2. Назначение блоков алгоритма и их взаимодействие.
Литература
1. Новиков Ю. В., Скоробогатов П. К. Основы микропроцессорной
техники: Учебное пособие. М.: Интернет-университет информационных технологий, 2009. 357 с.
8
Лабораторная работа 2
ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ
ЧЕРЕЗ ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ ПОРТ КОМПЬЮТЕРА
Цель работы: изучение принципов управления объектами с помощью параллельного порта персонального компьютера, основ схемных решений подключения объектов управления к LPT-порту компьютера и основ разработки программного обеспечения.
Основные теоретические положения
Эффективное управление промышленными роботами невозможно
без применения микропроцессорной техники. Современный компьютер представляет собой высокоорганизованную микропроцессорную
систему, предназначенную для решения различных задач, в том числе
и задач управления разнообразными объектами.
Применение компьютеров для управления объектами позволяет
разрабатывать автоматизированные технологические линии, требующие минимального вмешательства обслуживающего персонала. Для
подключения датчиков, принимающих информацию о состоянии объекта, и устройств, воздействующих на объект, в компьютерах предусмотрены последовательные (передающие или принимающие информацию последовательным кодом) и параллельные (передающие или
принимающие информацию параллельным кодом) порты.
Параллельный LPT-порт компьютера содержит три регистра:
- DATA;
- STATUS;
- CONTROL.
Регистр DATA – восьмиразрядный, двунаправленный, шестнадцатеричный, адрес регистра – 378Н. Регистр STATUS имеет пять
разрядов, информация в этот регистр может быть занесена только из
внешнего устройства (датчики, клавиатура), адрес регистра – 379Н.
Регистр CONTROL состоит из четырех разрядов, информацию в этот
регистр можно занести только из компьютера, адрес регистра – 37АН.
Разряды регистров выведены на разъем, схема которого показана
на рис. 2.1.
Здесь, цифрами отмечены номера контактов разъема, буквами –
номера разрядов регистров. Контакты разъема с 18 по 25 подключены к «общей точке».
9
Рис. 2.1. Схема разъема LPT-порта
Пользуясь схемой разъема LPT-порта, можно подключать к нему
различные датчики и исполнительные механизмы (необходимо при
этом предусмотреть согласование уровней передаваемых сигналов,
т. к. логической единице соответствует уровень напряжения 5 В, а логическому нулю – уровень напряжения 0 В). Естественно, что для
управления исполнительными механизмами, в соответствии с требуемым алгоритмом, необходимо разработать программное обеспечение.
Разработка программного обеспечения является наиболее трудоемким
и ответственным этапом в процессе разработки компьютерной системы управления технологическим процессом.
Описание лабораторного макета
Принципиальная схема лабораторного макета показана на
рис. 2.2.
Рис. 2.2. Схема лабораторного макета
10
На рисунке приведен фрагмент разъема LPT-порта. Восемь светодиодов подключены к разрядам регистра DATA. Для ограничения
тока, протекающего через светодиоды на уровне:
I = (Uлог.1 – Uдиода) /R = (5 В – 2 В) / 470 = 6 мА.
В схеме применяются резисторы, величина сопротивления которых составляет 470 Ом.
Применение светодиодов позволяет визуально контролировать
прохождение сигналов. Ключ S1 позволяет имитировать поведение
датчика (формировать входной сигнал).
Ниже приведен текст программы на языке Ассемблера (MASM),
реализующей алгоритм управления, при котором десять раз «мигают»
светодиоды, подключенные к разрядам D0 и D3 регистра DATA.
page 120,132
title hik(exe)
stacs segment para stack ‘stack’
dw 32 dup(?)
stacs ends
dats segment para ‘data’
n dw ?
dats ends
cods segment para ‘code’
begin proc far
assume cs:cods,ds:dats,es:dats,ss:stacs
push ds
sub ax,ax
push ax
mov ax,dats
mov ds,ax
mov es,ax
mov cx,0ah
m0:mov dx,378h
mov al,09h
out dx,al
call pauza
mov al,00h
out dx,al
call pauza
11
dec cx
jnz m0
ret
pauza proc
mov bx,0ffh
m1:mov n,0fh
m8:dec n
jnz m8
dec bx
jnz m1
ret
pauza endp
begin endp
cods ends
end begin
Лабораторное задание
Задание к лабораторной работе формулирует преподаватель.
Возможные варианты заданий:
- реализовать алгоритм «бегущий огонь» слева направо;
- реализовать алгоритм «бегущий огонь» справа налево;
- светодиоды «мигают».
Порядок выполнения работы
1. Реализовать заданный алгоритм на языке Ассемблера.
2. Подключить макет к разъему LPT-порта компьютера.
3. Используя текстовый редактор, ввести программу.
4. Провести ассемблирование и компоновку программы, пользуясь программой MASM.EXE.
5. Выполнить и отладить программу.
6. Составить отчет.
Порядок оформления отчета
Отчет должен содержать схему лабораторного макета и текст разработанной программы.
12
Контрольные вопросы
1. Команды программы и их функции.
2. Назначение регистров параллельного порта компьютера.
3. Взаимодействие команд программы и элементов схемы лабораторного макета.
Литература
1. Пей Ан. Сопряжение ПК с внешними устройствами. М.: ДМКПресс, 2001. 320 с.
13
Лабораторная работа 3
ИНФРАКРАСНЫЙ КАНАЛ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
Цель работы: изучение принципов управления объектами
инфракрасному каналу передачи информации.
по
Основные теоретические положения
В настоящее время для передачи информации широко применяются электропроводные (телефонные) линии и радиоканал. Применение радиоканала ограничено экологическими соображениями и плохой помехозащищенностью, а недостатком телефонных линий является низкая надежность и ограниченная пропускная способность канала
передачи информации. Перспективным направлением представляется
применение инфракрасного (ИК) излучения для передачи информации. Однако инфракрасное излучение активно поглощается парами
воды, находящимися в воздухе и плохие погодные условия (туман,
дождь и т. д.) создают сложности при использовании открытого
ИК-канала передачи информации. Применение ИК-канала внутри зданий защищает информационный канал от погодных условий.
Описание лабораторного макета
На рис. 3.1 показана структурная схема устройства, предназначенного для управления удаленными потребителями электрической
энергии мощностью до 2 КВт, такими как электронагревательные
приборы, вентиляторы, телевизоры, кофемолки и т. д.
Рис. 3.1. Структурная схема ИК-канала
Передача информации осуществляется по инфракрасному каналу.
Мощность излучения не превышает 10 мВт.
14
Устройство состоит из передатчика и приемника информации. В
состав передатчика входит персональный компьютер (ПК) и источник
инфракрасного излучения (ИК). Приемник информации состоит из
приемника оптического излучения (ФП) и блока управления нагрузкой (БУН), который в зависимости от поступающего сигнала, отключает или подключает нагрузку к питающей сети (220 В).
На рис. 3.2 показана принципиальная схема источника инфракрасного излучения (ИК). Основу схемы составляет генератор прямоугольных импульсов, выполненный на основе логических элементов
DD1.1-DD1.4. Частота импульсов генератора 10 КГц. (частота задается величинами элементов R1, C1). Работой генератора управляет
транзисторный ключ VT1. Если на базу ключа подать лог.0 (низкий
уровень сигнала) с помощью нажатия кнопки S1 или из LPT-порта
компьютера, то на выходе генератора формируются прямоугольные
импульсы, заставляющие «мигать» полупроводниковый инфракрасный VD3 или лазерный VD4 излучатель сигнала. Транзисторы VT2 и
VT3 образуют транзисторный ключ, повышающий нагрузочную способность генератора импульсов. Выбор вида источника сигнала осуществляется с помощью переключателя S2.
Рис. 3.2. Схема источника инфракрасного излучения
15
Элементы Тр1, VD1, C2, R5, VD2 образуют блок питания, формирующий постоянное напряжение 5В, необходимое для работы схемы.
На рис. 3.3 показана принципиальная схема приемника информации. Схема содержит силовой симисторный оптрон VD4, который
позволяет подключать нагрузку к питающей сети. Трансформатор
Тр1, диодный мост VD3, стабилитрон VD2, резистор R3, конденсатор
С2 входят в схему блока питания.
Операционный усилитель DA1 выполняет функции преобразователя тока фотодиода VD1 в уровень напряжения. Это напряжение поступает на компаратор, выполненный на основе операционного усилителя DA2.
Рис. 3.3. Схема приемника информации
Переключаясь, компаратор открывает транзисторный ключ VT1,
при этом включается симисторный оптрон и нагрузка подключается к
питающей сети. Конденсатор С1 выполняет функции фильтра, он не
пропускает постоянную составляющую сигнала, это дает возможность
защитить схему от помех, вызванных светом солнца и ламп освещения. Схема реагирует только на переменную составляющую сигнала.
16
Для функционирования устройства в автоматическом режиме
(управление с помощью компьютера) необходимо соответствующее
программное обеспечение.
Блок-схема одного из возможных алгоритмов показана на
рис. 3.4.
Реализован простейший алгоритм, выполняющий периодическое
включение и выключение нагрузки. В первом блоке – «включить
устройство» – происходит вывод в порт компьютера лог. 0, при этом в
работу вступает передатчик сигнала (рис. 3.2). Второй блок алгоритма
формирует временную паузу, длительность которой можно плавно
изменять, нажимая клавиши клавиатуры компьютера: «вверх», «вниз».
,
,
Рис. 3.4. Блок-схема алгоритма
Третий блок алгоритма выключает устройство: для этого в порт
компьютера выводится лог. 1, что прекращает работу передатчика
сигнала (рис. 3.2).
Работа четвертого блока аналогична работе второго блока, кроме
того, здесь предусмотрен выход из программы, если будет нажата
клавиша “Home”.
Ниже приведен текст программы,
позволяющей управлять
нагрузкой. Программа написана на языке Ассемблера.
17
Текст программы
page 120,132
title k(exe)
stacs segment para stack 'stack'
dw 32 dup(?)
stacs ends
dats segment para 'data'
r dw ?
r1 dw ?
dats ends
cods segment para 'code'
begin proc far
assume cs:cods, ds:dats, ss:stacs
push ds
sub ax, ax
push ax
mov ax,dats
mov ds,ax
mov es,ax
mov r,0ffh
mov r1,0ffh
m22:mov dx,378h
mov al,00h
out dx,al
call pauza
mov al,0ffh
out dx,al
call pauza
mov ah,01h
int 16h
jz m22
mov ah,00h
int 16h
cmp ah,47h
je m2
cmp ah,48h
jne m5
mov al,0ffh
m6:inc r
18
inc r1
dec al
jnz m6
m5:cmp ah,50h
jne m22
mov al,0ffh
m7:dec r
dec r1
dec al
jnz m7
jmp m22
m2:ret
begin endp
pauza proc
mov cx,r
m3:mov ax,r1
m4:dec ax
jnz m4
dec cx
jnz m3
ret
pauza endp
cods ends
end begin
Нажатием клавиш на клавиатуре компьютера («стрелка вверх» и
«стрелка вниз») можно плавно изменять частоту подключения нагрузки к питающей сети (при использовании в качестве нагрузки асинхронного двигателя можно изменять частоту вращения ротора двигателя).
Лабораторное задание
Возможные варианты заданий:
- реализовать алгоритм: периодически включать и выключать
нагрузку;
- реализовать алгоритм: нажатием заданной клавиши на клавиатуре включать и выключать нагрузку.
19
Порядок выполнения работы
1. Реализовать заданный алгоритм на языке Ассемблера.
2. Подключить макет к разъему LPT-порта компьютера.
3. Используя текстовый редактор, ввести программу.
4. Провести ассемблирование и компоновку программы, пользуясь программой MASM.EXE.
5. Выполнить и отладить программу.
6. Составить отчет.
Порядок оформления отчета
Отчет должен содержать схему лабораторного макета и текст разработанной программы.
Контрольные вопросы
1. Команды программы и их функции.
2. Назначение регистров параллельного порта компьютера.
3. Взаимодействие команд программы и элементов схемы лабораторного макета.
Литература
1. Пей Ан. Сопряжение ПК с внешними устройствами. М.: ДМКПресс, 2001. 320 с.
20
Лабораторная работа 4
ПРИМЕНЕНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
ЭНЕРГИИ В РОБОТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ
Цель работы: изучение элементной базы и принципов работы
вентильных преобразователей, применяемых в роботизированных системах.
Основные теоретические положения
Промышленные роботы применяются для управления различными технологическими процессами, например такими, как электрохимия, электротермия, электропривод и т. д., при этом необходимо регулировать и коммутировать потоки электроэнергии большой мощности. Это возможно с помощью тиристорных преобразователей электрической энергии. К таким преобразователям относятся регуляторы
переменного и постоянного напряжения (тока).
Регуляторы переменного напряжения
В настоящее время для регулирования мощности широко применяются тиристорные регуляторы переменного напряжения. Простейшая схема такого преобразователя состоит из двух включенных
встречно параллельно тиристоров, которые можно заменить одним
симистором или диодным мостом, в диагональ постоянного тока которого включен тиристор. В такой схеме возможны два способа регулирования: широтно-импульсный и фазовый. При широтноимпульсном способе вентили схемы находятся в состоянии «включено» и «выключено» в течение интервалов времени больших, чем длительность периода питающего напряжения. Изменяя время этих состояний, можно регулировать величину мощности нагрузки. Такое
регулирование допустимо для инерционных нагрузок.
При фазовом регулировании изменяют фазу импульсов управления вентилями относительно момента естественной коммутации. Этот
способ позволяет получить плавную, быстродействующую регулировку мощности. Применение трансформатора совместно с тиристорным регулятором расширяет функциональные возможности схемы,
позволяя реализовать плавное, ступенчатое и плавно-ступенчатое регулирование, которое обеспечивает лучший гармонический состав
выходного напряжения.
21
Регуляторы постоянного напряжения
Для регулирования мощности постоянного тока используются
импульсные регуляторы, в которых полупроводниковый ключ периодически подключает нагрузку к источнику питания. Такие регуляторы
имеют высокий коэффициент полезного действия. Изменяя длительность включенного и выключенного состояния ключа, можно регулировать величину тока и напряжения в цепи нагрузки. Применяются
два способа регулирования: широтно-импульсное (изменяет длительность включенного состояния ключа при постоянной частоте переключения); частотно-импульсное (при постоянной длительности
включенного состояния ключа изменяют частоту переключения). В
качестве ключей в таких преобразователях применяются полностью
управляемые полупроводниковые приборы или однооперационные
тиристоры с узлами принудительной коммутации, с помощью которых происходит выключение силового тиристора.
Описание лабораторного макета
На рис. 4.1 показана схема (компьютерная модель, реализованная
в среде программного продукта Orcad) регулятора переменного
напряжения, выполненного на основе силового тиристора VD4, включенного в диагональ диодного моста (VD2, VD3, VD5, VD6 ). Нагрузкой регулятора является резистор R2. Питание схемы осуществляется
от источника переменного напряжения V1. Эти элементы входят в силовую часть схемы. Остальные элементы схемы образуют систему
управления.
Система управления построена по принципу импульсно-фазового
управления. В состав системы входит схема синхронизации (VD1,
DA2), формирователь пилообразного напряжения (DA3, VT1, C1),
компаратор (DA4) и формирователь импульсов управления силовым
тиристором (VT2, DA1). На выходе схемы синхронизации формируются прямоугольные импульсы в моменты перехода синусоидального
питающего напряжения (V1) через ноль. Эти импульсы открывают
транзисторный ключ VT1, что приводит к разряду конденсатора С1. В
моменты закрытого состояния VT1 конденсатор заряжается. Конденсатор С1 совместно с операционным усилителем DA3 образуют схему интегратора напряжения. Пилообразное напряжение на выходе
DA3 формируется за счет периодического включения и выключения
транзистора VT1.
22
Рис. 4.1. Схема регулятора переменного напряжения
Операционный усилитель DA4 выполняет функции компаратора
напряжения, сравнивает напряжение пилообразной формы с напряжением на резисторе R8. В момент сравнения на выходе компаратора
формируется импульс положительной полярности, который открывает
транзисторный ключ VT2, при этом открывается транзистор, входящий в состав оптопары DA1. На управляющем электроде силового
тиристора VD4 формируется положительный уровень напряжения,
тиристор открывается, напряжение источника питания V1 прикладывается к нагрузке R2. Изменяя величину сопротивления резистора
R8, можно изменять момент включения тиристора VD4 (угол управления тиристором)
и как следствие – величину напряжения на
нагрузке.
(Если изменить рассмотренные выше схемы, с учетом
принципов рассмотренных в лабораторной работе 1, то можно автома23
тизировать процесс регулирования напряжения или тока в цепи
нагрузки).
На рис. 4.2 показана компьютерная модель регулятора постоянного напряжения.
Рис. 4.2. Схема регулятора постоянного напряжения
Основными элементами схемы являются тиристоры VD5 (основной) и VD6 (вспомогательный). Основной тиристор VD5 выключается
при включении вспомогательного тиристора VD6. При включении
тиристора VD6, конденсатор С2 заряжается от источника питания V1
через нагрузку R6, при увеличении напряжения на конденсаторе, ток,
протекающий через VD6, уменьшается (становится меньше тока
удержания тиристора во включенном состоянии) и тиристор выключается. При включении VD5, образуется контур перезаряда конденсатора (VD5-С2-L5-VD7), при этом обкладка конденсатора, подключенная к катоду тиристора VD5, получит положительный заряд. При
включении тиристора VD6, конденсатор С2 разряжается в контуре,
образованном двумя включенными тиристорами. Ток разряда
конденсатора направлен встречно рабочему току тиристора VD5, что
приводит к его выключению. Конденсатор перезаряжается от источ24
ника V1 через VD6 и нагрузку, процесс повторяется. Для включения
тиристоров служит система управления, состоящая из генератора
прямоугольных импульсов, распределителя импульсов и формирователя импульсов.
Генератор импульсов построен на основе логических элементов
«НЕ» (DD1.1 – DD1.3). Длительность импульсов генератора и их частота задается элементами R1, R2, С1 .
Распределитель импульсов выполнен на основе D-триггера DD2
и логических элементов «ИЛИ-НЕ» DD3.1, DD3.2. Формирователь
импульсов состоит из транзисторных ключей VT1, VT2, в коллекторные цепи которых включены первичные обмотки (L1, L3) импульсных
трансформаторов. Импульсы генератора переключают триггер, включается VT1 или VT2, на управляющем электроде соответствующего
тиристора формируется импульс, тиристор включается. К управляющим электродам тиристоров подключены вторичные обмотки импульсных трансформаторов (L2, L4).
Элементы «ИЛИ-НЕ» исключают возможность одновременного
включения транзисторов VT1, VT2. (Если изменить рассмотренные
выше схемы, с учетом принципов, рассмотренных в лабораторной работе 1, то можно автоматизировать процесс регулирования напряжения или тока в цепи нагрузки).
Лабораторное задание
Выполнить анализ электромагнитных процессов, протекающих в
схемах регуляторов. Получить временные диаграммы токов и напряжений на элементах рассмотренных схем.
Порядок выполнения работы
Используя редактор программы Orcad, ввести рассмотренные
схемы регуляторов напряжения. Выполнить отладку и анализ схем.
Составить отчет.
Порядок оформления отчета
Отчет должен содержать изучаемые схемы и временные диаграммы токов и напряжений, подтверждающих работоспособность
регуляторов.
25
Контрольные вопросы
1. Принципы регулирования постоянного и переменного напряжения.
2. Назначение элементов входящих в схемы регуляторов.
Литература
1. Зиновьев Г. С. Силовая электроника: учеб. пособие для бакалавров. М.: Юрайт, 2012. 667 с.
26
Лабораторная работа 5
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ
Цель работы: изучение принципов управления электродвигателями, применяемыми в электроприводах промышленных роботов;
принципов разработки программного обеспечения.
Основные теоретические положения
Основными элементами электропривода промышленных роботов
являются электродвигатели.
Электродвигатели переменного тока
Электродвигатели переменного тока делятся на синхронные и
асинхронные.
Электродвигатели состоят из статора и ротора.
Синхронный электродвигатель – электродвигатель переменного
тока, ротор которого вращается синхронно с магнитным полем питающего напряжения. Данные двигатели обычно используются при
больших мощностях (от сотен киловатт и выше).
Существуют синхронные двигатели с дискретным угловым перемещением ротора — шаговые двигатели. У них заданное положение
ротора фиксируется подачей питания на соответствующие обмотки.
Переход в другое положение осуществляется путём снятия напряжения питания с одних обмоток и передачи его на другие. Ещё один вид
синхронных двигателей – вентильный реактивный двигатель, питание обмоток которого формируется при помощи полупроводниковых
элементов.
Асинхронный электродвигатель – электродвигатель переменного
тока, в котором частота вращения ротора отличается от частоты вращающего магнитного поля, создаваемого питающим напряжением.
Эти двигатели наиболее распространены в настоящее время.
Шаговый электродвигатель – это синхронный электродвигатель
с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация
обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги)
ротора. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют получать
27
больший крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при
обесточенных обмотках.
Электродвигатели постоянного тока
Двигатель постоянного тока – электрический двигатель, питание
которого осуществляется постоянным током. По наличию щёточноколлекторного узла данная группа двигателей в свою очередь подразделяется на:
1) коллекторные двигатели;
2) бесколлекторные двигатели.
Щёточно-коллекторный узел обеспечивает электрическое соединение цепей вращающейся и неподвижной части машины и является
наиболее ненадежным и сложным в обслуживании конструктивным
элементом.
По типу возбуждения коллекторные двигатели можно разделить:
1) на двигатели с независимым возбуждением от электромагнитов и постоянных магнитов;
2) двигатели с самовозбуждением.
Двигатели с самовозбуждением делятся:
1) на двигатели с параллельным возбуждением (обмотка якоря
включается параллельно обмотке возбуждения);
2) двигатели последовательного возбуждения (обмотка якоря
включается последовательно обмотке возбуждения);
3) двигатели смешанного возбуждения (обмотка возбуждения
включается частично последовательно, частично параллельно обмотке
якоря).
Бесколлекторные двигатели (вентильные) – электродвигатели,
выполненные в виде замкнутой системы с использованием датчика
положения ротора, системы управления (преобразователя координат)
и силового полупроводникового преобразователя (инвертора). Принцип работы данных двигателей аналогичен принципу работы синхронных двигателей.
Описание лабораторного макета
На рис. 5.1 показана электрическая схема электропривода, выполненного на основе шагового электродвигателя FB-20-4-3A.
28
Рис. 5.1. Электрическая схема электропровода на основе шагового двигателя
Управление осуществляется с помощью компьютера через
LPT-порт. Транзисторные ключи повышают нагрузочную способность
выводов порта компьютера. Для обеспечения вращения ротора двигателя по часовой стрелке необходимо на выводах «желтый» – «белый»
– «красный» – «коричневый» формировать последовательность импульсов. Для изменения направления вращения ротора необходимо
изменить последовательность подачи импульсов: «коричневый» –
«красный» – «белый» – «желтый». Питание схемы осуществляется от
встроенного источника постоянного напряжения, преобразующего
переменное напряжение питающей сети в постоянное напряжение
24 В.
На рис. 5.2 показана электрическая схема электропривода макета
промышленного робота. В схеме используются различные типы электродвигателей: М1 – шаговый электродвигатель P.NO.14769070-90;
M2 – коллекторный двигатель постоянного тока FF-03OPK; М3 –
трехфазный бесщеточный электродвигатель 771V4-3101B.
Для управления двигателем М3 в схеме используется специализированный контроллер M51785SP.
29
Предусмотрена световая и акустическая сигнализация, для этого в
схеме используется светодиод VD6 и пьезоакустический излучатель
BA1. Отмеченные элементы схемы с помощью транзисторных ключей
подключены к выводам LPT-порта компьютера. Для электропитания
схемы используется сетевой адаптер, формирующий постоянное
напряжение 12 В.
Рис. 5.2. Электрическая схема электропривода робота
30
Лабораторное задание
Рассмотренные схемы лабораторного макета позволяют реализовать различные алгоритмы управления входящим в их состав оборудованием. Например: последовательно включать и выключать электродвигатели; изменять направление вращения ротора электродвигателей (это будет приводить в движение подвижные части макета промышленного робота); с помощью клавиатуры компьютера задавать
направление движения и расстояние перемещения механизмов макета.
Порядок выполнения работы
На основании задания разработать блок-схему алгоритма управления электродвигателями макета. Разработать программу на языке
Ассемблера (MASM). Отладить программу. Составить отчет.
Порядок оформления отчета
Отчет должен содержать изучаемые схемы, блок-схему алгоритма
и разработанную программу.
Контрольные вопросы
1. Назначение и конструктивные особенности электропривода.
2. Назначение элементов, входящих в схему лабораторного макета.
3. Назначение и принципы работы элементов разработанного
программного обеспечения.
Литература
1. Юревич Е. И. Основы робототехники. СПб.: БХВ-Петербург,
2005. 416 с.
2. Конюх В. Л. Основы робототехники: Учеб. пособие для вузов.
Ростов н/Д: Феникс, 2008. 282 с.
31