Roboty i wnioski dla nas 2

 Roboty i wnioski dla nas 2

Z poglądowego rysunku widać ze resolver w "silniku" Siemensa  jest bezszczotkowy. Wycieranie szczotek i pierścieni było poważną wadą starych generacji resolverow oganiczającą ich zastosowania. 
W serii "Sensory" omówiono interface do resolverów: http://matusiakj.blogspot.com/2016/07/archiwum-sensory-3.html
W podstawie robota KUKA, od generacji KRC1, znajduje się karta Resolver-to-Digital Converter (RDC) do której przyłączone sa wszystkie przewody sygnałowe z "silników" czyli połączenia z resolverami i sensorami temperatury KTY84. Karta jest połączona z modułem DSEAT na karcie MFC w przemysłowym komputerze PC w szafce sterujacej, interfejsem SSI (Synchronous Serial Interface).
Jest sporo zalet tego rozwiązania
- Krótkie są przewody sygnałowe do resolverow i sensorów temperatury. Przewody te nie wychodzą poza robota. Małe sa więc zbierane zakłocenia z przewodów prądowych.
- Tylko w module RDC potrzebne są napiecia zasilajace +12 i -12 V, ktore musiałyby być w komputerze PC wytworzone z napiecia 5V.
Na rysunku pokazano konstrukcje karty RDC współpracujacej maksymalnie z osmioma resolverami. 

Sercem karty RDC1 ( konstrukcji z 1996 roku ) jest szybki zmienoprzecinkowy procesor sygnałowy DSP firmy TI typu TMS320C32 o wydajnosci 60 MFlops. Po podaniu zasilania w fazie boot wolno wykonywany jest program z pamieci EEPROM. Normalnie szybko wykonywany jest sciągniety łaczem SSI,  program umieszczony w szybkiej ( czas dostepu 10 ns ) pamieci RAM.
Sygnal prostokątny 8KHz z procesora podany jest do prostego fiiltru dolnoprzepustowego i wzmacniacza mocy. Wszystkie resolvery są tym sygnałem sinusoidalnym zasilane. Sygnały SIN I COS przychodzace z resolverow  są poprzez probkujące multiplexery CMOS podane do dwóch dokładnych przetworników A/D. Jak już wyjaśniono sygnały są próbkowane w szczycie zasilajacego resolvery sygnału sinusoidalnego.
Procesor oblicza iloraz wartosci próbek sygnałów SIN i COS i biorąc arcustangens z ilorazu wylicza kąt sensora. Tak to wyglada w wielkim skrocie. Metoda ta daje znacznie gorsze wyniki niz metoda z obserwatorem ale i tak zupełnie wystarczające w tym zastosowaniu. Offsety DC w torach SIN i COS bardzo pogarszają dokładność wyniku. Stąd przemyslana i staranna konstrukcja i programowa kompensacja tych offsetów.
Do multiplexerow i dalej przetworników A/D  podane są takze sygnały z prostych interfejsów sensorów temperatury KTY84.
Sprzęt i program wykrywają przerwy w obwodach uzwojeń resolverów i sensorów KTY84.
Idea karty RDC pozostała niezmienna w kolejnych generacjach robotów KUKA.

Nowa era robotów KUKA nastała w 1996 roku wraz z systemem KRC1 bazujacym na przemysłowym komputerze PC pod jednoczesną (!) kontrola systemów operacyjnych (!) Windows 95 i systemu VxWorks. System Windows nie jest systemem czasu rzeczywistego co wynika z wadliwej filozofi obsługi przerwań przez jądro systemu Windows. System VxWorks jest systemem czasu rzeczywistego i wykonuje co 2ms zadania servomechanizmowe. W jaki sposób komputer PC jednoczesnie pracuje pod kontrola obu systemów ? Karta MFC co 2ms generuje przerwanie niemaskowalne obsługiwane przez system VxWorks. Po wykonaniu zadania serwomechanizmowego sterowanie wraca do systemu Windows. Systemy operacyjne komunikują się przez wspólny obszar pamięci.
NB. System VxWorks Real Time Operating System (RTOS), sprzedawany od 1988 roku nadal w kolejnych wersjach jest stosowany w przeróżnych nowych urządzeniach.

Wspomniana karta MFC ( Multi Function Card ) zamienia komputer PC w komputer sterujący robota. Karta realizuje funkcje interfejsów komunikacyjnych z otoczeniem robota, ma interfejs Ethernet i wejścia oraz wyjścia binarne. Jest matką dla dwóch modulów DSEAT umieszczonych na niej.
Na wszystkich kartach funkcje dekoderów adresowych wykonuja układy programowalne GAL20V8 i GAL16V8.
W karcie MFC zastosowano do realizacji jej funkcjonalnosci duże układy programowalne EPM7064LC44-15 oraz  EPM7064LC84-10 firmy Altera. Skopiowanie karty MFC jest więc niemożliwe.

Sercem każdego modułu DSEAT jest znów szybki zmiennoprzecinkowy procesor TMS320C32. Program normalnie jest po fazie boot szybko wykonywany z szybkich pamieci RAM. Procesor otrzymuje za pośrednictwem karty MFC co 2 ms dane od programu systemu VxWork o zadanej  trajektori ruchu serwomechanizmów. Komputer PC zapisuje i odczytuje dane z Dual Ported RAM tak samo jak procesor DSP.
Procesor linkiem SSI od modułu RDC  otrzymuje dane o aktualnym położeniu sensorów-resolwerów czyli wirnikow silników. Programowo są standardowo realizowane dwa kaskadowe regulatory PI - prędkości i prądu. Interfejsem rownoległym moduł DSEAT przekazuje kazdemu analogowemu wzmacniaczowi mocy z modułu PM6-600 zadane wartości pradów dla faz U i V. Pokazano to w uproszczeniu na rysunku.   

Kazdy wzmacniacz mocy modulu PM6-600 dwoma przetwornikami D/A zamienia dane z interfejsu modułu DSEAT na sygnaly analogowe dla analogowych regulatorow pradu dwóch faz  i ukladów PWM. Analogowe regulatory pradu mają znacznie szersze pasmo niż cyfrowe co jest sporą zaletą i motywem ich zastosowania. Do zmian parametrów uzywa sie potencjometrow cyfrowych z interfejsem szeregowym. 
Elementami wykonawczymi w module PM6-600 są trojfazowe mostki na tranzystorach IGBT. Elektronika sygnałowa modułu jest izolowana od potencjałów obwodów mocy sensorami prądu faz i driverami tranzystorow IGBT.

Każdy robot przemysłowy ma rozbudowany system bezpieczeństwa po to aby nie stanowił zagrozenia dla ludzi a także mienia. Słuzy temu duża ilosc wejść i wyjśc binarnych.

Kolejne systemy KUKA KRC2 i KRC3 są modyfikacjami opisanego wyżej systemu.
 Zmiane filozofi budowy systemu przyniósł dopiero rok 2010 a dokładniej 2011 i szerokie przejscie na EtherCAT czyli przemysłowy Ethernet czasu rzeczywistego. EtherCAT nie wymaga żadnego specjalnego hardwaru u Mastera a tylko u Slave dla dekodowania w locie czyli techniki “processing on-the-fly”.
Dostępne są już mikrokontrollery rodziny ARM z interfejsem EtherCAT co radykalnie obniża koszt kontrolerów i czyni konstrukcje łatwiejszą. EtherCAT używa standardowych kabli i złącz Ethernetu co mocno obniża koszty.
Ramka sieci Ethernet która  jest bardziej skomplikowane niz ramki typowych protokołów komunikacyjnych uzywanych w automatyce przemysłowej, nie stanowi dużego narzutu na telegramy pod warunkiem ze nie sa one maleńkie.
Obecnie najczęściej stosowana jest ramka Ethernet II – zwana też ramką DIX od firm DEC, Intel i Xerox, które opracowały wspólnie ten typ ramki. Ramka rozpoczyna się Preambułą. Jest to  7 bajtów złożonych z naprzemiennych jedynek i zer. W zapisie szesnastkowym jest to AAAAAAAAAAAAAA. Nastepnie bajt SFD (start frame delimiter), szesnastkowo AB. Po tym docelowy adres MAC, zródłowy adres MAC, typ ramki - 2 bajty, dane (46-1500 bajtów ) i FCS czyli 4 bajtowa suma kontrolna CRC.
Biorąc pod uwage że EtherCAT pracuje z szybkoscią 100 Mb/s można zakaceptować bardziej skomplikowaną ramke.  

W nowych rozwiązaniach bazujacych na uniwersalnym EtherCAT do wszystkiego, KUKA stosuje servonapedy fimy LENZE. Tak więc KUKA bardzo ograniczyła zakres produkowanej elektroniki. Absorbuje ją bardziej  korpus robota i przekładnie oraz oprogramowanie i zastosowania.