что такое контроллер движения

Обновление стандарта PLCOPEN: стерты границы между ПЛК, контроллерами роботов и движения

>Все большее количество потребителей требуют, чтобы программируемые логические контроллеры (ПЛК) роботов и систем управления движением программировались на языках, которые были бы более понятными программистам и обслуживающему персоналу конечных пользователей. Для уменьшения сложности пользовательского интерфейса рабочая группа PLCopen, занимающаяся вопросами управления движением, представила набор стандартизированных инструментов для реализации задач управления непосредственно из среды программирования ПЛК.

Если поставщики средств автоматизации используют стандарт PLCopen, программисты освобождаются от изучения специального языка каждого производителя.

Традиционно промышленные роботы программируются с использованием сложных специальных языков, которые понятны исключительно программистам роботов. Контроллеры движения разнообразны и, как правило, программируются с использованием компьютерной библиотеки или другого специального языка, в то время как ПЛК, как правило, программируются по релейной логике. Конструкция каждой машины включает многие элементы, каждый из которых нуждается в программировании на специальном языке. В сегодняшних условиях автоматизации ПЛК, контроллеры движения и роботов должны быть тесно интегрированы.

Программирование ПЛК

С момента своего создания в 1968 г. по просьбе компании General Motors (которая предложила способ заменять проводные реле) ПЛК программировались по релейной логике. Они легко контролировали процессы, нуждавшиеся в установке цифровых и аналоговых устройств. Но комплексные процессы, которые имеют более сложный характер, требуют для своего управления применения более развитых языков программирования, таких как BASIC, Cи или Cи#. Со временем ПЛК эволюционировали, для них стали применять программирование на BASIC или Cи, но большинство по-прежнему использует релейную логику (языки стандарта программирования IEC 61131-3).

Многие низкопроизводительные ПЛК поддерживают управление движением через ступенчатый выходной сигнал. Управление движением более высокого уровня может быть достигнуто за счет внедрения более дорогостоящих выделенных модулей, подключаемых к основной системе. Даже учитывая, что большинство устройств программируется по релейной логике, многие из них требуют глубоких знаний сред программирования, разных у различных производителей.

Со временем ПЛК эволюционировали, и для их программирования стали использоваться языки BASIC или Cи, но большинство по-прежнему применяет релейную логику.

Контроллеры движения

Контроллеры движения для широкого рынка, как правило, выполняют движения по интерполированным стандартным траекториям (линейные и круговые), согласованные движения, зацепление, подъем и событийные движения (при использовании датчика и защелки). В контроллерах предыдущего поколения использовались специальные входы и выходы для каждой оси. Были предусмотрены такие входные воздействия для управления перемещением, как включение, ограничение перемещения за пределы, а также выходные воздействия в виде команд на сервопривод (обычно аналоговый сигнал ±10 В) и/или команды на шаговый привод (шаг и направление). Большинство контроллеров также имеют некоторые общие возможности ввода/вывода. Новые контроллеры базируются на цифровых сетях, таких как Ether-CAT (EtherCAT Technology Group) или Mechatrolink (Mechatrolink Members Association), для передачи управляющих сигналов на приводы и получения/передачи цифровых входных/выходных сигналов соединения, которые передаются через проводник непосредственно в привод.

Между контроллерами роботов и контроллерами движения стираются различия, но все же координация между этими системами, каждая из которых запрограммирована на своем языке и, как правило, предназначена для определенной цели, выбирается программистом.

Когда мы имеем дело с координированным перемещением по разным осям, стандартный контроллер движения не может конкурировать с контроллерами роботов. Для стандартных контроллеров движения необходимо задать «внутренние» координаты точек для каждой из осей, если рабочий орган должен быть перемещен в конкретную точку. Однако для роботов и других машин с физически связанными механизмами переход от координат внешнего трехмерного пространства к «внутренним» координатам осей перемещения требует решения обратной задачи кинематики. Расчет инверсной кинематики зачастую требует использования сложных формул для перевода координат заданной во внешнем трехмерном пространстве точки на отдельные позиции координатных осей. Так как кинематические схемы роботов и подобных им систем крайне разнообразны, то применение специализированных ПЛК требует глубоких знаний конкретной среды программирования.

Контроллеры роботов

Контроллеры роботов были разработаны с целью достижения наилучших результатов при управлении сложными механизмами с конкретными кинематическими схемами. Большинство контроллеров производятся для конкретного устройства и программируются на созданном производителем специализированном языке, который значительно варьируется от платформы к платформе. Контроллеры для роботов очень эффективны при управлении библиотеками устройств, для которых они были разработаны. Однако большинство из них не самые лучшие с точки зрения коммуникативной, интеграционной или программной устойчивости.

Контроллеры для роботов эффективны при управлении библиотеками устройств, для которых они были разработаны. Однако большинство из них не самые лучшие с точки зрения коммуникативной, интеграционной или программной устойчивости.

Рисунок. Стандарт PLCopen содержит функциональные блоки для скоординированного движения

В прошлом чаще всего только специализированные контроллеры роботов поддерживали решение задач прямой и инверсной кинематики. Сегодня этот подход более общий для многих контроллеров движения и предлагает некоторое подмножество команд для роботов, особенно контроллеров для автоматизации процесса упаковки. Между контроллерами роботов и контроллерами движения исчезают различия, но все же координация между этими системами, каждая из которых запрограммирована на своем языке и, как правило, предназначена для определенной цели, выбирается программистом.

PLCopen Motion Control определяет стандартные операции совмещения, что позволяет программисту достигать той плавности движения, которую может реализовать производитель.

ПЛК и движение

Стандартизация и общий внешний вид пользовательского интерфейса систем управления являются преимуществом, когда увеличивается сложность реализуемых движений.

Например, легко объединить задачи относительного или абсолютного перемещения, если каждый следующий шаг выполняется после полного завершения и останова предыдущего. Но представьте себе более сложный набор движений, когда требуется реализация перехода на следующий шаг при ненулевой скорости, чтобы превратить отдельные движения в одно плавное на протяжении всей оси. PLCopen Motion Control реализует стандартные операции совмещения, что позволяет программисту достигать такой плавности движения, которую может реализовать исполнительный механизм.

При скоординированном движении по нескольким осям не всегда ясно, какие оси имеют решающее значение для синхронного перемещения. Поэтому при возникновении неисправности контроллер движения не всегда может сообщить, на какие другие оси оказывается влияние. PLCopen решает эту проблему путем определения группы движений так, что контроллер может сгенерировать соответствующий ответ об ошибке, если одна из осей сообщает об ошибке. Такая концепция группирования позволяет программисту сосредоточиться на конкретной задаче, которая требуется от механизма, а контроллеру — следить за механизмом посредством реализации функции группирования.

Четвертая часть стандарта PLCopen по управлению движением содержит описание функциональных блоков для скоординированного движения.

Определен стандартный набор функциональных блоков для комплексного контроля движения в трехмерном пространстве, в который входят блоки для кинематических преобразований. Существуют основные поддерживаемые механизмы, такие как SCARA и дельта, но в дополнение к указанным любой программист может составить свои собственные кинематические преобразования. Для вызова этих кинематических программ всякий раз, когда положение должно быть преобразовано в совместное пространство или наоборот, доступны специальные функции.

Четвертая часть PLCopen Motion Control определяет стандартный набор функциональных блоков для комплексного контроля движения в трехмерном пространстве, в который входят блоки для кинематических преобразований.

PLCopen Motion Control в настоящее время создает «мост» между некогда отдельными средами ПЛК, ЧПУ типа CNC, контроллеров роботов и движения. Стандарт позволил сделать контроллеры роботов и движения неотъемлемой частью системы управления. Они включают управление движением и логический контроль — два основных требования для современного управления машинами. Есть преимущества объединения управления движением и логического контроля в единое целое. В том числе обеспечивается практически неограниченный обмен данными между программами для логического контроля и управления движением без задержек.

Независимость программирования

В конечном счете, цель стандарта PLCopen — сделать программный код полностью независимым от аппаратных средств или конкретного производителя. Когда различные поставщики оборудования поддерживают одинаковый исходный код, программист освобождается от изучения специальных языков каждого производителя. Это позволит разрабатывать и внедрять сложные комплексные системы управления машинами с повышенной точностью и производительностью в более короткие сроки. PLCopen сделала это возможным за счет снижения инженерной сложности и необходимого специализированного обучения, чтобы система в целом была более привычной для широкого спектра существующих программистов в области ПЛК.

Источник

Контроллеры движений в Windows Mixed Reality

Контроллеры движения — это Аксессуары оборудования, которые позволяют пользователям взаимодействовать в смешанной реальности. Преимущество контроллеров движения от жестов заключается в том, что контроллеры имеют точную точку в пространстве, что позволяет детально взаимодействовать с цифровыми объектами. для Windows Mixed Reality впечатляющих головных телефонов контроллеры движения являются основным способом, которым пользователи будут выполнять действия в своем мире.

Windows Mixed Reality контроллеры движения обеспечивают точное и быстро отслеживаемое отслеживание перемещений в поле зрения с помощью впечатляющих датчиков гарнитуры. Нет необходимости устанавливать оборудование на стены в своем пространстве. эти контроллеры motion предлагают такую же простоту установки и переносимости, как Windows Mixed Reality впечатляющие головные телефоны.

Вы также можете использовать контроллер Xbox, мышь и клавиатуру или обойтись только с помощью голоса.

Настройка контроллера движения

большинство гарнитур поставляются непосредственно в гарнитуру, но на некоторых ранних гарнитурах требуется связать контроллеры motion с компьютером с Bluetooth 4,0. Когда вы впервые подключаете иммерсивное головной телефон, вы научитесь включать контроллеры движения во время установки. Но если вам потребуется повторно связать их позже, выполните следующие действия.

Получили контроллер Xbox?

если у вас Bluetooth контроллер Xbox, свяжите его с компьютером, чтобы использовать его с вашей гарнитурой.

При наличии проводного контроллера Xbox подключите его к компьютеру.

Некоторые игры и приложения используют контроллер Xbox не так, как он используется в смешанной реальности. Чтобы использовать контроллер для игры или приложения, выберите использовать как игровой планшет на панели приложений или скажите «использовать как игровой планшет». Чтобы вернуться к смешанной реальности, выберите использовать как игровой планшет, опять же или скажите «использовать с помощью взгляда».

Связывание контроллеров движения

если вы используете гарнитуру, включающую интегрированный контроллер Bluetooth, например Samsung одиссэй + или HP reverb, то контроллеры должны быть парными. Но вы по-прежнему можете связать контроллеры с помощью приложения установки (оно должно быть уже установлено во время настройки ХМД. Его также можно получить из Microsoft Store.

Связывание контроллеров движения с ХМД

включите контроллер, нажав кнопку Windows в течение 2 секунд, пока индикаторы не будут освещены.

Удалите обложку аккумулятора с контроллеров и нажмите кнопку «небольшое связывание» на границе контроллера. Удерживайте эту кнопку, чтобы связать с вашим компьютером.

Запустите портал смешанной реальности с подключенной гарнитурой.
В левом нижнем углу выберите . > настроить контроллеры. Следуйте инструкциям на экране.

Связывание контроллеров Motion с ПК

Вы можете связать контроллер с компьютером, добавив другое устройство Bluetooth.

Включите контроллеры и поместите их в режим связывания, как описано выше.

По завершении связывания индикаторы будут сплошными и яркими.

Распространенные проблемы

Использование контроллеров

Вот как можно обойтись в смешанной реальности с контроллерами движения, планшетом Xbox или мышью и клавиатурой.

чтобы переключить вход между смешанной реальности и настольным компьютером, нажмите Windows клавишу с логотипом + Y на клавиатуре компьютера.

Что означает уровень вибрации и свет

Ваш контроллер взаимодействует с вами, вибратинг и мигающим индикатором индикатора.

Обновление встроенного по контроллера Motion

ВОПРОСЫ И ОТВЕТЫ

Как можно проверить уровень заряда батареи?

Ответ. уровень заряда батареи находится на обратную сторону виртуальной модели. отсутствует индикатор физического аккумулятора. После включения питания контроллера подождите несколько секунд, чтобы чтение стабилизировать.

Можно ли использовать эти контроллеры без головного телефона? Только для джойстика, триггера или других входных данных?

ответ. не для универсальных Windows приложений

Источник

Программируемые или узкоспециализированные контроллеры управления движением: варианты реализации сложных роботизированных комплексов

Билл Швебер (Mouser Electronics)

Управление сложными современными роботами независимо от их размеров или мощности часто требует позиционирования с одновременным вычислением координат по нескольким осям.

Успехи в развитии современной элементной базы – электродвигателей и драйверов, силовых полупроводниковых приборов (МОП-транзисторов и БСИТ), систем управления (переходящих в настоящее время с аналога на цифру) и датчиков систем обратной связи, – позволяют реализовать точное управление движением манипуляторов более простыми способами по сравнению с тем, как это было несколько лет назад. На Рис. 1 изображена базовая система управления позиционированием для робототехники, которая включает в себя контроллер, выполняющий алгоритм прикладной программы; драйверы двигателей; силовые устройства; датчики обратной связи; механические узлы; электродвигатель, как правило, оснащенный датчиками; устройства измерения напряжений и токов в контрольных точках. Однако, поскольку требования к производительности систем резко возросли, в целом сложность проектов остается на прежнем уровне.

Рис. 1.	Базовая система управления позиционированием в робототехнике.

Характерной особенностью любой робототехнической системы является то, что в контур управления включены характеристики механизмов: люфт, механические допуски, вибрация, параметры электродвигателя, момент инерции вращающейся массы, импульс, изгиб механических структур, переменная величина нагрузки и так далее.

По этим причинам важным фактором является выбор наиболее подходящего типа двигателя. Для систем малой и средней мощности выбирают обычно либо бесколлекторные, либо шаговые двигатели постоянного тока.

Еще одно важное решение связано с выбором датчиков обратной связи. В большинстве роботизированных систем используются определенные типы датчиков обратной связи для точного измерения положения рабочего органа и, таким образом, для определения скорости и ускорения (так как скорость является производной по времени от координат объекта, а ускорение – производной по времени от скорости). В качестве преобразователей сигналов обратной связи могут использоваться датчики Холла, синхронные решающие приборы или оптические кодеры.

Несмотря на то, что установить кодер непосредственно на электродвигатель технически проще, такой вариант не позволяет получить достаточно точные актуальные данные о положении рабочего органа вследствие перечисленных выше погрешностей механической системы. По этой причине контрольные датчики необходимо устанавливать как можно ближе к объекту управления.

В некоторых системах промышленной автоматизации реализовано бездатчиковое, так называемое векторное управление электродвигателями, что позволяет снизить стоимость и сложность механической части системы. Алгоритм векторного управления (Field-Oriented Control), используя точные синхронизированные данные тока и напряжения в каждой фазе обмоток двигателя, выполняет сложные преобразования системы координат и матричные вычисления для определения положения двигателя в реальном масштабе времени.

Отсутствие датчиков снижает стоимость оборудования, однако требует значительного увеличения вычислительных возможностей и более сложного программного алгоритма. Во многих случаях разработчики роботизированных систем по-прежнему используют датчики, поскольку векторное управление не обеспечивает такого же уровня достоверности, надежности и устойчивости, какой дает управление на основе прямого считывания сигналов с датчиков.

О конфигурации промышленных роботов

Термин «робот» часто ассоциируется среди публики с мобильным антропоморфным слугой или помощником, однако большинство робототехнических систем предназначено для использования в промышленности и представляет собой стационарные устройства, снабженные различными манипуляторами и другими механизмами для выполнения определенных задач.

К наиболее распространенным конструкциям промышленных роботов относятся:

Представленные выше решения обеспечивают три степени свободы, используя комбинацию линейного и вращательного движений, однако для некоторых приложений достаточно одной или двух степеней свободы. Более совершенные манипуляторы или шарнирные роботы имеют дополнительные линейные и вращательные движения, приближающие способность реагирования и гибкость робота к уровню человеческой руки. Некоторые передовые технологии обеспечивают шесть, восемь и более степеней свободы роботов.

Некоторые варианты роботов используют специальные комбинации линейных и вращательных движений, реализующие специфичные траектории движения, например, параллелограмм. Данный тип робота используется для выполнения точных и быстрых перемещений на короткие расстояния, к примеру, для захвата и установки миниатюрных компонентов.

По мере увеличения числа степеней свободы сложность реализации быстрого, плавного, точного и синхронного перемещения по каждой из координатных осей растет в экспоненциальной прогрессии.

Обзор профилей управления движением

Задача управления движением в робототехнике кажется достаточно простой: привести рабочий орган в конечное положение настолько быстро и точно, насколько это возможно с заданной нагрузкой. Как и во всех инженерных решениях, здесь имеются компромиссы, позволяющие получить оптимальный результат в зависимости от приоритетов, устанавливаемых конкретным приложением. Например, допустимо ли большее ускорение и замедление с целью быстрого достижения высокой скорости с риском возможного перерегулирования или даже колебательного процесса в конечной точке? В какой степени экономически оправдано точное измерение скорости? Как осуществить оптимальный выбор ускорения, скорости и координат для перемещения из положения A в положение B? Каковы приоритеты и параметры, которые определяют «оптимум» в данном конкретном приложении?

Специалисты по управлению движением в области робототехники и в смежных областях разработали стандартные профили, обеспечивающие различные способы реализации компромиссного решения для конкретного приложения. Все без исключения варианты включают в себя значительные по объему вычисления в режиме реального времени на основе текущего набора параметров и сигналов обратной связи, однако некоторые из них требуют еще более высокой точности и большей загрузки вычислительных ресурсов.

Профили управления движением включают в себя:

Сравнение стандартного и пользовательского алгоритмов управления движением

Применение контроллеров управления движением в виде интегральных схем (ИС) со встроенным набором специализированных функций обеспечивает простоту использования и быстрый выход на рынок для стандартных приложений. При необходимости получения нестандартного, настраиваемого профиля, а также при сложной координации между различными осями, возникающей при обработке уникальных нестандартных ситуаций, разработчики могут использовать программируемые контроллеры. Необходимые вычислительные ресурсы при этом обеспечиваются за счет применения в качестве контроллеров цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) или программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). На выбор конкретного типа контроллера, помимо его аппаратного обеспечения, влияет также наличие поставщиков, программно-аппаратных средств сторонних производителей и доступность готовых программных модулей.

Необходимо отметить, что в контроллерах управления, как правило, отсутствует функция непосредственного управления двигателями (драйверы МОП-транзисторов и БСИТ), что обусловлено двумя причинами. Во-первых, силовые драйверы должны соответствовать типу электродвигателя независимо от выбранного контроллера. Во-вторых, технологические процессы, основанные на комплементарных структурах «металл-оксид-полупроводник», которые используются в цифровых контроллерах для получения высокой плотности элементов, значительно отличаются от техпроцессов изготовления силовых полупроводниковых (п/п) приборов. Однако для управления электродвигателями малой мощности возможна интеграция контроллера с драйверами и силовыми п/п-приборами. Несмотря на фундаментальные различия, термин «контроллер» часто ассоциируется с функциональными блоками устройств силовой электроники, что приводит к путанице при поиске по ключевым словам.

Приведенные далее примеры показывают широкий спектр функций, охватываемых контроллерами управления движением. В качестве примера специализированного функционально законченного устройства можно привести ИС TB6560AFTG производства компании Toshiba, объединяющую в себе контроллер и драйвер шагового двигателя с широтно-импульсным микрошаговым управлением и синусоидальной формой выходного тока. Данная ИС выполнена в 48-выводном корпусе QFN размером 7×7 мм и позволяет реализовать эффективное управление в прямом и обратном направлениях двухфазным биполярным шаговым двигателем с использованием только одного тактового сигнала. Встроенные драйверы обеспечивают ток в обмотках двигателя до 2.5 А. Одной из проблем управления шаговыми двигателями, даже при их использовании в микрошаговом режиме, являются вибрации, которые могут возникать при старте или остановке движения. Хотя в большинстве случаев вибрация не представляет угрозы, она может стать проблемой при работе с хрупкими объектами, например, стеклянной посудой, или при воздействии на собственные резонансы механической системы. Контроллер TB6560AFTG предоставляет пользователю возможность адаптации скорости нарастания и спада выходного тока драйвера для минимизации колебательных процессов.

Верхнюю часть линейки контроллеров управления роботизированными системами занимают устройства с расширенным набором функций, например, семейство микроконтроллеров (МК) C2000 компании Texas Instruments. C2000 представляет собой набор устройств с различными комбинациями базовых функций, вычислительных ресурсов, типов и количества портов ввода-вывода и встроенных аппаратных функций – таймеров, сторожевых таймеров и генераторов импульсов с ШИМ. Например, МК TMS320 Delfino серии C2000 (Рис. 4). Он содержит встроенный модуль для вычислений с плавающей запятой, что позволяет устранить проблемы, возникающие при обработке чисел с фиксированной запятой, а также поддерживает перенос программного кода между устройствами с фиксированной и плавающей запятой посредством виртуального модуля IQMath. Это устраняет необходимость в использовании второго процессора с одним или двумя ядрами, который способен эффективно выполнять как математические задачи цифровой обработки сигналов, так и задачи управления системой. В состав TMS320 также входит модуль вычисления тригонометрических функций (TMU), который ускоряет работу алгоритмов, типичных для контуров управления, например, вычисление крутящего момента.

Разработка приложений для данного процессора обеспечивается программно-аппратными средствами, например, отладочной платой LAUNCHXL-F28377S C2000 Delfino LaunchPad, базирующейся на 32-разрядном ядре процессора TMS320C28x. LaunchPad оснащен МК F28377S, который обеспечивает суммарно 400 млн операций в секунду (MIPS) посредством 200-мегагерцевого центрального процессора C28x и 200-мегагерцевого сопроцессора управления реального времени.

Рис. 4.	МК TMS320 Delfino серии C2000 производства компании Texas Instruments.

МК содержит 1 Мбайт встроенной памяти программ и широкий набор периферийных устройств, к которым относятся 16- и 12-разрядные АЦП, компараторы, 12-разрядные ЦАП, фильтры с дельта-сигма-модуляцией, генераторы ШИМ с высоким разрешением, усовершенствованные модули захвата, импульсные квадратурные датчики положения, модули CAN и прочее. Отладочная плата LaunchPad содержит встроенный изолированный эмулятор JTAG XDS100 v2, который позволяет осуществлять посредством порта USB программирование и отладку МК в составе системы в режиме реального времени. Комплект LaunchPad включает в себя также два 40-контактных разъема для подключения одновременно двух плат расширения BoosterPack и бесплатное свободно распространяемое программное обеспечение Code Composer Studio (CCS), интегрированную среду разработки IDE и программные модули controlSUITE.

Заключение

Диапазон контроллеров управления движением для робототехнических систем варьируется от простых узкоспециализированных ИС до МК с высокой степенью интеграции, гибкой архитектурой и большим набором дополнительных функций и программных модулей. Несмотря на то, что фиксированный набор встроенных функций узкоспециализированных контроллеров выглядит как фактор, ограничивающий возможности их применения, некоторые из этих устройств позволяют пользователю выбирать различные профили движения и устанавливать критические параметры. Узкоспециализированные контроллеры адекватны уровню сложности решаемых задач, имеют малую стоимость и просты в использовании. Для сложных проектов с уникальными нестандартными требованиями, а также для более высоких уровней взаимодействия модулей и управления системой эффективным решением являются программируемые МК, поддерживаемые наличием интегрированной среды разработки программ, готовых программных модулей, средств отладки и пакетов программ для аттестационного тестирования.

Статью подготовил и перевел Морозов Вячеслав г. Ростов-на-Дону,
по материалам журнала «Electronics information update».

Источник