НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК


НОВОСИБИРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

ISSN (печатн.): 1814-1196          ISSN (онлайн): 2658-3275
English | Русский

Последний выпуск
№3(72) Июль - Сентябрь 2018

О выборе частоты дискретизации системы балансировки двухколесного робота

Выпуск № 2 (71) Апрель - Июнь 2018
Авторы:

Ивойлов Андрей Юрьевич,
Жмудь Вадим Аркадьевич,
Трубин Виталий Геннадьевич,
Саблина Галина Владимировна
DOI: http://dx.doi.org/10.17212/1814-1196-2018-2-7-22
Аннотация

В статье рассматривается вопрос выбора частоты дискретизации системы автоматического управления на примере системы автоматической стабилизации двухколесного балансирующего робота. Решаются задачи снижения потребления энергии устройством и повышения качества процессов в системе. В ходе работы проводится анализ процессов в системе, который показывает, что качество процессов в реальном устройстве хуже, чем предсказывает моделирование. Кроме того, при работе системы балансировки робота наблюдаются значительные пульсации тока в обмотках его двигателей, что является причиной высокого потребления энергии. В результате выдвинуто предположение, что причиной этих отрицательных эффектов является неоптимальный выбор частоты дискретизации системы управления. Далее в работе исследуется влияние значения этой частоты на качество работы устройства. Показано, что выбор недостаточно высокого значения частоты дискретизации приводит к искусственному ограничению частоты шума датчика угла наклона, что при высоком коэффициенте усиления системы приводит к броскам тока и момента в двигателях. Этот эффект эквивалентен снижению несущей частоты ШИМ при управлении двигателем. Данный вывод подтверждается численным моделированием системы и экспериментальными данными. Далее в статье приводится пример реализации системы с повышенной частотой дискретизации на микроконтроллере семейства STM32 с использованием МЭМС-гироскопа MPU6050. Показано, что выбранное значение частоты дискретизации можно реализовать на практике. Проведено измерение энергопотребления устройства, показавшее, что пульсации тока, а следовательно, и момента снизились практически в 10 раз. Кроме того, уменьшилась амплитуда автоколебаний. Таким образом, описанная в работе методика позволила решить поставленные задачи.


Ключевые слова: частота дискретизации, теория автоматического управления, ПИД-регулятор, робот, балансирующий робот, МЭМС-датчик, гироскоп, ШИМ, двигатель постоянного тока

Список литературы

1. Востриков А.С., Французова Г.А., Гаврилов Е.Б. Основы теории непрерывных и дискретных систем регулирования: учебное пособие. – 5-е изд. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2008. – 476 с.



2. Ivoilov A.Yu., Zhmud V.A., Trubin V.G. The tilt angle estimation in the inverted pendulum stabilization task // Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT): proceedings, Moscow, March 14–16, 2018. – Moscow, 2018.



3. Ивойлов А.Ю. О применении МЭМС-датчиков при разработке системы автоматической стабилизации двухколесного робота // Сборник научных трудов НГТУ. – 2017. – № 3 (89). – С. 32–51.



4. Использование измерительной системы MPU 6050 для определения угловых скоростей и линейных ускорений / Д.С. Федоров, А.Ю. Ивойлов, В.А. Жмудь, В.Г. Трубин // Автоматика и программная инженерия. – 2015. – № 1 (11). – С. 75–80.



5. Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы: учебник для вузов. – СПб.: Питер, 2008. – 320 с.



6. Усольцев А.А. Электрические машины: учебное пособие. – СПб.: НИУ ИТМО, 2013. – 416 с.



7. Кулик Ю.А. Электрические машины. – М.: Высшая школа, 1966. – 362 с.



8. Формальский А.М. Управление движением неустойчивых объектов. – М.: Физматлит, 2012. – 232 с. – ISBN 978-5-9221-1460-8.



9. Schweber B. Basics of MOSFETs and IGBTs for Motor Control [Electronic resource]. – URL: https://eu.mouser.com/applications/industrial-motor-control-mosfets/ (accessed: 21.05.2018).



10. Key MOSFET parameters for Motor Control applications [Electronic resource]. – URL: https://www.diodes.com/assets/App-Note-Files/AN1102.pdf (accessed: 21.05.2018).



11. Development of deflection angle stabilizing system for balancing robot / D. Fedorov, A. Ivoilov, V. Zhmud, V. Trubin. // Journal of Advances in Management Sciences & Information Systems. – 2015. – N 1. – P. 65–82.



12. Разработка системы стабилизации угла отклонения балансирующего робота / Д.С. Федоров, А.Ю. Ивойлов, В.А. Жмудь, В.Г. Трубин // Автоматика и программная инженерия. – 2015. – № 2 (12). – С. 16–34.



13. MPU-6000 and MPU-6050 Product Specification. Revision 3.4 [Electronic resource]. – URL: https://store.invensense.com/datasheets/invensense/MPU-6050_DataSheet_V3%204.pdf (accessed: 21.05.2018).



14. MPU-6000 and MPU-6050 Register Map and Descriptions. Revision 4.2 [Electronic resource]. – URL: https://www.invensense.com/wp-content/uploads/2015/02/MPU-6000-Register-Map1.pdf (accessed: 21.05.2018).



15. STM32F205xx. STM32F207xx. Datasheet – production data [Electronic resource]. – URL: http://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/datasheet/bc/21/42/43/b0/f3/4d/d3/CD00237391.pdf/files/CD00237391.pdf/jcr:content/translations/en.CD00237391.pdf (accessed: 21.05.2018).

Для цитирования:

О выборе частоты дискретизации системы балансировки двухколесного робота / А.Ю. Ивойлов, В.А. Жмудь, В.Г. Трубин, Г.В. Саблина // Научный вестник НГТУ. – 2018. – № 2 (71). – С. 7–22. – doi: 10.17212/1814-1196-2018-2-7-22.

For citation:

Ivoilov A.Yu., Zhmud V.A., Trubin V.G., Sablina G.V. O vybore chastoty diskretizatsii sistemy balansirovki dvukhkolesnogo robota [On the choice of the sampling frequency of A two-wheeled robot balancing system]. Nauchnyi vestnik Novosibirskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universitetaScience bulletin of the Novosibirsk state technical university, 2018, no. 2 (71), pp. 7–22, doi: 10.17212/1814-1196-2018-2-7-22.

Просмотров: 170