Лишь в простейших приводах иногда используются сепаратные кон­троллеры, которые привлекательны для пользователей своей относитель­ной дешевизной. Функции такого контроллера ограничены задачей управления механическим движением по одной координате (редко по двум), некоторые модификации имеют стандартный интерфейс для включения в более сложные управляющие структуры. Однако необходи­мость программирования непосредственно оператором на языке доста­точно низкого уровня (типа BASIC), малое количество каналов связи и ограниченный объем памяти делают этот тип контроллеров неперспек­тивным для многокоординатных мехатронных систем с интеллектуаль­ными методами управления.

Задачу управления движениями мехатронных систем можно разде­лить на две основные части: планирование движения и его исполнение во времени. Планирование функциональных движений осуществляется опе­ратором на компьютере верхнего уровня с использованием пакетов при­кладных программ. Функцию программного расчета и выдачи управ­ляющих сигналов непосредственно на исполнительные приводы выполняет контроллер движения. Типичным является трапецеидальный закон изменения скорости движения, включающий участки разгона, перемеще­ния с постоянной скоростью и торможения с заданным ускорением. Та­ким образом, сочетание компьютера и контроллера в архитектуре систе­мы управления является обоснованным с точки зрения разделения ре­шаемых подзадач. Блок-схема системы управления на базе контроллера движения приведена на рис. 1.36.

Архитектура контроллера движения, разработанного гонг-конгской фирмой Googol Technology, представлена на рис. 1.37 [101]. В состав контроллера входят современные цифровые устройства: рассмотренные выше сигнальный процессор (DSP), программируемая вентильная матри­ца (FPGA), а также flash-память и оперативное запоминающее устройство (RAM).

Если разработка идет в большую серию, то эффективным является использование технологии ASIC – микросхем, выпускаемых под кон­кретную задачу пользователя. Микросхемы ASIC представляют собой "одночиповое" решение, имеющее ряд преимуществ по сравнению с пе­репрограммируемыми схемами FPGA. К их достоинствам следует отне­сти: дешевизну, надежность, невозможность копирования, малую по­требляемую мощность, энергонезависимость. Однако микросхемы ASIC нельзя перепрограммировать, поэтому модернизация изделий на их ос­нове сопряжена с длительным циклом разработки и затратами.

Современные технологии управления движением позволили перейти в системах управления от внешних управляющих устройств к контролле­рам движения (motion controllers). Например, по данным аналитического обзора [78], для упаковочных машин сейчас преобладают решения на базе программируемых логических контроллеров (ПЛК). Главная задача ПЛК – это эффективные операции исключительно с дискретной инфор­мацией. Поэтому построение на базе ПЛК систем управления движением мехатронными модулями, и тем более мехатронными системами, нельзя признать перспективным.

Перспективы мехатроники связаны с системами управления на ос­нове персональных компьютеров (типа PC-NC [36]), а также встроенных контролеров движения. Встроенные контроллеры, которые технологиче­ски реализованы на отдельной плате (board-level controllers) или одном чипе (chip-based controllers), уже в настоящее время используются в 50 % приложений и в ближайшей перспективе ожидается, что их доля возрас­тет до 68 % .

Столь активное развитие рынка контроллеров движения обусловле­но их следующими основными преимуществами и особенностями:

•  координированное управление движением по нескольким осям одновременно (как правило, 4-8 шаговых двигателей или управляемых приводов с аналоговыми или импульсными входами);

•  обеспечение высококачественных движений благодаря реализа­ции сложных законов управления (цифровые ПИД-регуляторы и фильт­ры, корректирующие связи по управляющему воздействию, трехконтур-ные системы подчиненного управления);

•  планирование и генерация сложных траекторий (управление движением по положению, скорости и ускорению, модификация пара­метров в процессе движения);

•  развитое программное обеспечение для инсталляции, програм­мирования и мониторинга движений;

•  взаимодействие с компьютером верхнего уровня, работа с про­граммами пользователя, операционной системой реального времени, возможность загрузки программ по сети Интернет;

•  широкие интерфейсные возможности благодаря встроенным цифровым счетчикам, АЦП, ЦАП, дискретным входам/выходам, нали­чию цифровой шины;

•  выдача аналоговых и импульсных командных сигналов, получе­ние и обработка информации от датчиков обратной связи.

В современном процессоре более 2 Мбит внутренней памяти разме­щается в 1 см2 корпуса, толщина которого составляет 1,35 мм, в сочета­нии с низкой потребляемой мощностью (0,4 мА на MIPS). Например, процессор ADSP-2188M, обладающий производительностью 75 MIPS, имеет память программ и данных в общей сложности 2028 Кбит. Потреб­ляемая мощность данного процессора составляет менее 100 мВт.

Программируемые вентильные матрицы (FPGA – Field Program­mable Gate Arrays) представляют собой интегральные микросхемы, кото­рые содержат большое количество (от десятков до нескольких тысяч) стандартных логических ячеек. Эти ячейки объединяются в матрицу с помощью программируемых переключателей. Логическая микросхема состоит из следующих основных блоков:

•  блока ввода-вывода (БВВ), осуществляющего соединение внут­ренней логики кристалла с выводами корпуса микросхемы;

•  конфигурируемых логических блоков (КЛБ), реализующих логи­ческие и регистровые функции;

•  блочной памяти;

•  модулей управления синхронизацией (DLL);

•  трассировочных ресурсов для соединения всех элементов. Программирование микросхем FPGA в отличие от традиционных

логических микросхем осуществляет пользователь. Для этого применяется специальное программное обеспечение, которое включает в себя: мо­дули текстового и схемного ввода, моделирования, автоматической трас­сировки, создания и загрузки конфигурационных данных, специальные библиотеки макросов. Разработчик с внешнего устройства имеет воз­можность многократно загружать проект в микросхему и тестировать ее работу на реальном изделии.

Блоки FPGA позволяют программно реализовать практически все необходимые управляющие функции: декодирование сигналов, цифро­вую широтно-импульсную модуляцию, математические операции и т.д. При этом они обладают уникальным сочетанием очень высокой произво­дительности (скорость вычислений соизмерима с аппаратными компо­нентами) с возможностью программирования (и перепрограммирования при необходимости) как обычные микропроцессорные устройства. На выходе блоков FPGA можно сформировать широтно-модулированный сигнал, который имеет цифровое представление.

DSP-процессоры выполняют следующие основные операции:

-  фильтрация входного аналогового сигнала;

-  аналого-цифровое преобразование;

-           цифровая обработка сигналов по заданным вычислительным алго­ритмам, оптимизированная для многократно повторяющихся математи­ческих операций в реальном масштабе времени (производительность до 75 • 106 операций в секунду);

-  цифроаналоговое преобразование.

В состав цифрового сигнального процессоры входят: ЦПУ, ОЗУ, ПЗУ, последовательный/параллельный интерфейсы, схема обработки прерываний.

Архитектура ядра процессора ADSP-21 представлена на рис. 1.35 [66].

Гибкая архитектура процессоров семейства ADSP-21 и соответст­вующий набор команд позволяют достичь высочайшей степени паралле­лизма при выполнении операций. За один цикл DSP семейства ADSP-21 может выполнить следующие операции:

-  генерация адреса и выбор команды программы;

-  выполнение двух перемещений данных;

-  обновление двух указателей адреса;

-  выполнение вычислительной операции;

-  передача или прием данных от двух последовательных портов;

-  обновление регистра таймера.

Новой элементной базой цифровых систем управления для выпол­нения вычислительных функций стали цифровые сигнальные процессоры (DSP – digital signal processors). Для построения систем управления дви­жением главными являются следующие требования к вычислительным устройствам:

-  высокая скорость вычислений, особенно при выполнении базовых математических операций умножения и суммирования;

-  цифровая обработка сигналов в реальном масштабе времени;

-  время, требуемое на выполнение команд, должно быть известно точно и заранее.

В мехатронных системах управляющие вычислительные устройства выполняют следующие специальные функции:

-  решение прямой и обратной кинематических задач;

-  координированное управление всеми степенями подвижности ма­нипулятора, включающее расчет управляющих воздействий и формиро­вание синхронизированных во времени сигналов управления на исполни­тельные приводы мехатронной системы;

-  реализация алгоритмов адаптивного и интеллектуального управ­ления;

-  фильтрация сигналов о положении, скорости и ускорении, посту­пающих от датчиков обратной связи;

- обмен данными с компьютером верхнего уровня управления. Микропроцессоры (МП), такие как Pentium компании Intel, обычно

представляют собой центральное процессорное устройство (ЦПУ), вы­полненное на одном кристалле, которому требуются дополнительные микросхемы для реализации всех вычислительных функций. Ориентиро­ванные в первую очередь на вычислительные задачи общего назначения, МП недостаточно хорошо приспособлены к задачам цифровой обработки сигналов. Например, они не поддерживают реализацию операции умно­жения с последующим сложением за один машинный цикл. Эта операция очень важна для цифровых фильтров реального времени, умножения матриц, манипуляции с графическими изображениями. DSP-процессоры оптимизированы для реализации таких задач со скоростью, достаточной для цифровой обработки сигналов в реальном масштабе времени, выпол­няя арифметические операции и накопление результата за один машин­ный цикл.

Современные технологии для систем управления движением объе­диняют новые аппаратные решения, ставшие возможными благодаря достижениям микроэлектроники, и соответствующее программное обес­печение, построенное на основе новых информационных технологий. Электронные блоки должны выполнять заданные управляющие, преобра­зующие и информационные функции и при этом конструктивно быть встроенными в мехатронные модули.

Встраиваемые интеллектуальные элементы по сравнению со своими типовыми аналогами должны иметь повышенную стойкость к внешним воздействиям (тепловым, вибрационным, электромагнитным и др.), а также миниатюрные размеры. Технологически это достигается за счет высокой концентрации и плотной упаковки схем, уменьшения монтаж­ных соединений и использования твердотельных элементов. Благодаря резкому упрощению сборки микроэлектронных устройств и автоматиза­ции процесса изготовления, их стоимость является относительно низкой.

Объем функциональных задач, решаемых электронными и компью­терными устройствами в мехатронике, постоянно возрастает. Следова­тельно, перспективные блоки должны быть многофункциональными и обладать широкими коммуникационными возможностями.

Ниже приведены начальные сведения по:

-  силовым электронным приборам;

-  цифровым сигнальным процессорам (DSP-процессоры);

-  программируемым вентильным матрицам (FPGA);

-  контроллерам движения (motion controllers).

В области микроэлектроники важным технологическим фактором стало появление нового поколения силовых электронных приборов. Ос­новными типами силовых приборов, которые в настоящее время широко используются в мехатронных модулях, являются: силовые полевые тран­зисторы (MOSFET), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), коммутируемые тиристоры (GTO) и интеллектуальные силовые модули (IPM). Новое поколение приборов отличается высоким быстро­действием (для транзисторов MOSFET частота коммутации составляет до 100 кГц), высокими значениями коммутируемых токов и напряжений (например, для транзисторов IGBT предельная сила коммутируемого то­ка – до 2400 А, предельное коммутируемое напряжение – до 3300 В), ма­лыми коммутационными потерями и малой мощностью управления.

Интеллектуальные модули выполняют функции силового преобра­зователя в канале управления движением, защиты устройства в аварий­ных режимах и диагностики неисправностей. В мехатронике эти полу­проводниковые приборы стали базой для создания новых силовых преоб­разователей, которые являются связующим звеном между устройством компьютерного управления и исполнительными двигателями (см. рис. 1.25). Компактность конструкций и интеллектуальность силовых преобразователей, созданных на базе нового поколения приборов, позво­ляет конструктивно объединять их с электродвигателями в составе ин­теллектуальных мехатронных модулей (см. рис. 1.33).

Гибридные технологии изготовления стали стремительно развивать­ся в последнее десятилетие, в основном для микроэлектромеханических систем (МЭМС). Приложения МЭМС-технологий в области мехатроники на сегодняшний день занимают третье место по масштабам применения, при этом объем их производства ежегодно увеличивается в 15-20 раз [9]. Основным потребителем здесь является автомобильная промышленность (наибольшим спросом пользуются акселерометры для системы безопас­ности), однако все более активно эти устройства используются в других мехатронных системах: мобильных роботах, беспилотных летательных аппаратах и т.п.

В мехатронных модулях МЭМС-технологии нашли самое широкое применение. К типичным измеряемым параметрам относятся перемеще­ния, скорости и ускорения (линейные или угловые), действующие силы и моменты. Примерами сенсоров, изготовленных на основе МЭМС-технологий, могут служить акселерометры – датчики ускорений. Датчик, разработанный в НПК "Технологический центр" МИЭТ, показан на рис. 1.34.

Данная микросистема, где использованы чувствительные элементы балочного типа, позволяет измерять ускорения в диапазоне ±5g в диапа­зоне рабочих частот 5… 100 Гц, размер корпуса 39,5 х 29,5 х 7,5 мм. Кон­структивной основой акселерометра является подложка, которая выпол­няет две главные функции: она одновременно является платой для мик­роэлектронных элементов и вибрирующей инерционной массой. На вы­ходе сенсора получаем широтно-модулированные сигналы, в которых длительность импульсов пропорциональна соответствующим компонен­там вектора ускорения.

Развитие МЭМС-технологий позволило создать интеллектуальные сенсоры, где реализовано объединение функций измерения текущих па­раметров механического движения, их преобразования и обработки по заданным алгоритмам в едином блоке. Интеллектуализация сенсоров по­зволяет добиться более высокой точности измерения, программным пу­тем обеспечив фильтрацию шумов, калибровку, линеаризацию характе­ристик вход/выход, компенсацию гистерезиса, перекрестных связей и дрейфа нуля.

Однако мехатронные модули, полученные способом гибридной сборки, имеют и существенные ограничения в применении и эксплуатации:

• комбинация в одном корпусе всех элементов приводит к увели­чению массы и габаритов модуля движения по сравнению с традицион­ными приводами, где управляющие устройства и силовые преобразовате­ли расположены отдельно от исполнительных компонентов. Такое уве­личение критично для некоторых мехатронных машин, например мани­пуляторов, имеющих последовательную кинематическую цепь;

• в процессе эксплуатации исполнительные элементы оказывает температурные, вибрационные, электромагнитные воздействия на интел­лектуальные блоки; чем плотнее монтаж и выше мощность модуля, тем сильнее это негативное влияние.

Указанные ограничения гибридной сборки дают основание считать наиболее перспективной для мехатроники интеграцию элементов на бо­лее ранней технологической фазе (см. рис. 1.31) – уже при изготовлении элементов.

Гибридные технологии предусматривают использование общих ма­териалов (например, полупроводников) и общих технологических про­цессов при производстве как исполнительных, так и интеллектуальных элементов. Это позволяет радикально уменьшить размеры мехатронного модуля, добиваясь качественно новых свойств в особо компактных и ми­ниатюрных модулях. При серийном выпуске таких изделий стоимость мехатронного модуля зачастую даже уменьшается по сравнению с тради­ционными технологиями.

Перспективной для мехатронных технологий является группа "ак­тивных" материалов, которые способны трансформировать энергию оп­ределенного физического поля (электрического, магнитного, теплового и т.п.) в различные механические эффекты либо изменять свои свойства под воздействием внешних полей. К числу таких материалов можно от­нести кварц, керамику, магнитострикционные сплавы, "интеллектуаль­ные" сплавы с памятью формы.

Для рассмотрения гибридных технологий проанализируем техноло­гический процесс изготовления мехатронной машины; его основные фа­зы показаны на рис. 1.31. Все компоненты мехатронных модулей укрупненно разделены на две большие группы:

1)  исполнительные элементы, к которым отнесены механические и электротехнические элементы (двигатели, преобразователи движения, тормоза и т.д.);

2)  интеллектуальные элементы, куда входят силовые электронные блоки, информационные (сенсорные) и управляющие вычислительные элементы.

На схеме технологического процесса выделены два технологических передела, где возможна технологическая интеграция элементов первой и второй групп – это этапы изготовления элементов (II) и сборки меха­тронных модулей и машин (III). Таким образом, различают операции из­готовления гибридных элементов и гибридной сборки. Выбор фазы тех­нологической интеграции определяет в конечном счете глубину объеди­нения компонентов в мехатронном модуле.

Гибридная сборка соответствует конструкторской идее объединения разноприродных элементов в едином корпусе. В этом случае компоненты указанных групп хотя и являются составными частями общего конструктор­ского замысла, но их изготовляют независимо и параллельно на различных технологических линиях либо приобретают у различных производителей.

Пример интеграции исполнительных элементов через гибридную сборку – мехатронный модуль фирмы Dunkermotoren, представленный на Ганноверской выставке в 2004 г., показан на рис. 1.32.

В состав модуля входят асинхронный двигатель, редуктор и тормоз­ное устройство.

На рис. 1.33 представлены модули фирмы Siemens, в которых меха­нические и электротехнические изделия собраны уже с интеллектуаль­ными компонентами.

Модули содержат следующие сборочные единицы: вентильный дви­гатель с возбуждением от постоянных магнитов, планетарный или чер­вячный редуктор, тормозное устройство, фотоимпульсный датчик (инкодер), силовой преобразователь (конструктивно закрепляется на крышке двигателя), управляющее устройство, интерфейс для подключения к ши­не "Profibus".

Пирамидальная форма и состав технологической пирамиды меха­троники полностью соответствуют ее структурному базису.

Безусловно, фундаментом технологического базиса мехатроники яв­ляются новые технологии в ее базисных направлениях. К ним относятся прецизионные и модульные технологии механики, микроэлектроника и новые информационные технологии. Однако особый интерес для разви­тия мехатроники представляют комбинированные технологии, принадле­жащие граням технологической пирамиды, к которым можно отнести:

1. Гибридные технологии электромеханики и мехатроники.

2. Цифровые технологии управления движением.

3.Технологии автоматизированного проектирования управляемых машин и CALS-технологии.

Выпуск мехатронных изделий требует стандартизации и унифика­ции всех используемых элементов и процессов при их автоматизирован­ном проектировании, производстве и сервисном обслуживании на основе CALS (Continuous Acquisition and Life-Cycle Support) технологий. Одним из первых в России вопрос о создании комплексных систем поддержки жизненного цикла изделий поставил и развил в своих работах чл.-кор. РАН Ю.М. Соломенцев [38].

CALS – принятая в промышленно развитых странах концепция ин­формационной поддержки ЖЦ продукции, основанная на использовании интегрированной информационной среды, обеспечивающая единообраз­ные способы информационного взаимодействия всех участников этого цикла: заказчиков и производителей продукции, эксплуатационного и ремонтного персонала. Концепция и стандарты CALS определяют набор правил и регламентов, в соответствии с которыми организуется инфор­мационное взаимодействие субъектов в процессах проектирования, про­изводства, испытаний, эксплуатации и сервиса.

Для мехатроники особо следует выделить серьезную проблему раз­личия информационных платформ, которыми владеют специалисты раз­личных отраслей инженерных знаний. Так, машиностроители в своей конструкторской деятельности широко применяют программные системы автоматизированного проектирования механических систем (напри­мер, программные пакеты AutoCAD, ProEngineer, TFLEX-CAD). Эти пакеты обычно не знакомы специалистам в области электроники и ком­пьютерного управления, которые в свою очередь пользуются при моде­лировании и проектировании программными системами MATLAB/ Simulink, MAPLE, LabView, P-CAD и т.п.

Для успешного решения задач мехатроники необходимо разработать междисциплинарные программные среды, способные эффективно под­держивать высокопроизводительный обмен документами, данными и объектами (в том числе графическими файлами) в ходе выполнения про-ектно-исследовательских и опытно-конструкторских работ группой спе­циалистов.