80. Мой привод становится универсальным

  Параграф 80 из книги автора "Прозрение". Полностью с фото см.:
http://world.lib.ru/t/trahtenberg_r_m/gorodaigody-133.shtml

 Как-то пришла к нам делегация израильской фирмы «Роботек». Они делали приводы для роботов, и хитроумный их начальник Иоси Биран сумел заинтересовать японцев.
 Считалось, если в дело входят японцы, то оно «в шляпе».
 Прослышав о "Серволоджике", Иоси не упускал из виду и его возможности. Он привлёк нас к демонстрации наших достижений перед японскими специалистами под видом своего варианта. Потом ещё не раз мы кое-что делали для Роботека, но так и не получили ни заказа, ни оплаты.

 Правда, совсем косвенным образом эти визиты оказались нам полезными. Когда обсуждалась возможность применения ADD для их роботов, «руки» которых должны уметь двигаться и быстро, и совсем медленно, возник острый технический спор.
 – Мы сможем обеспечить самое медленное и точное движение в вашем роботе, применив в качестве датчика резольвер, – рекламировал я свою фирму.
 – Но почему обязательно резольвер? Мы работаем только с энкодерами, – заметил Ив, главный и, вроде, единственный творческий работник Роботека.
 – Энкодер не может работать на очень низких скоростях, а резольвер снимает все ограничения. Это легко понять, ведь на низкой скорости нужно долго ждать пока повернётся вал энкодера настолько, чтобы выдать импульс. В это время система бессильна управлять движением.
 – Это понятно, но на другой датчик японцы, едва ли, не согласятся.

 К этому времени наша концепция была незыблема: для высоких скоростей – энкодер, для низких – резольвер. И всё-таки я сильно задумался, в принципе так ли уж отличается энкодер от резольвера? Нельзя ли рассматривать импульсный энкодер, как непрерывный резольвер, с которого сигнал снимается не непрерывно, а через малые промежутки времени?
 Впервые, не дожидаясь наития свыше, я выдавливал новую идею из своих мозгов, зажав их со всех сторон так, что слышен был треск. И внезапно в туманной оболочке, скрывавшей суть – появился просвет.
 Мне вдруг стало ясно, как нужно поступить с энкодером, чтобы получить от него резольверные возможности. Однако, чувствую – сейчас сомкнётся дымка и скроет блеснувшую вершину... скорее схватил карандаш и набросал основу идеи. Ей-ей, если бы не поспешил, то, вряд ли, смог снова вызвать в сознании картину необходимой чёткости.
 И вот на бумаге лежит схема поразительной простоты! Кажется, её и осуществить не трудно.

 Когда мурашки убегут со спины, и спокойно посмотришь на результат вдохновенного наития, то всё оказывается таким простым, что странно, как это раньше не догадался.
 Между прочим, когда я разматывал таинства своего привода и добивался его точного математического описания, то убедился, что для достижения результата требуется чистейшее состояние мозгов. Малейшее их умышленное замутнение, ну, скажем, глотком пива, перекрывает капилляры, питающие скрытую в нас систему постижения истины.
 А вот творцы литературных или живописных шедевров, как известно, часто держали под рукой бутылочку.
 Видимо, творчество в области искусства – штука более простая и требует от человека меньших усилий и самоограничения.

 Уж пусть простит мне дорогой читатель, но, если освоил он параграф 45, где рассказано о блестящей идее, открывшей путь человечеству в точный привод, то призываю Вас набраться ещё немного терпения, чтобы подняться на следующий пик технической мысли.
 Вместе с тем, автор вполне допускает, что при отсутствии интереса к техническим штукам, читатель может не сильно вникать в интересные подробности, изложенные ниже в этом параграфе.

 В те уже далёкие годы, когда придумался ADD, в нём применялся импульсный датчик с зубчиками по кругу, который затем развился в энкодер, где зубчики заменили на чёрточки (поворачивается вал, с ним вместе бегут тончайшие чёрточки, прерывая лучик света, от этого и появляются импульсы в принимающем светодиоде).
 Использование энкодера казалось логически оправданным и единственно возможным.
 Тогда же обнаружилось, что такой привод не может работать на низких скоростях. Это тоже было логичным. Ну, в самом деле, если импульсный датчик выдаёт импульс при повороте вала на определённый угол, то ясно, что на какой-то низкой скорости импульсы будут появляться так редко, что привод расстроится.

 Если шофёру закрыть лобовое стекло и открывать его на короткое время, допустим, раз в пять секунд, то он разволнуется и не сможет ехать.
 Так и привод. В современных оптических энкодерах число меток на диске вместо прежних 50-100 достигло 1000 и много более. Понятно, при этом оказались возможными более низкие скорости. Но всё равно ниже 50 оборотов в минуту ADD с энкодером не работал.

 Этот недостаток не очень меня огорчал, в те же давние времена я применил другой датчик – сельсин, а затем и стандартный резольвер. Он позволял получать импульсы на любой низкой скорости и даже при неподвижном двигателе.
 В этом варианте мы смогли обеспечить ещё одно важнейшее свойство привода – позиционирование, то есть быстрый поворот вала на заданный угол и его жесткое затормаживание в этой позиции.

 Так со времён моей монографии и привыкли считать, что в зависимости от требований к диапазону следует применять один из двух вариантов АDD. Всё хорошо, покой и порядочек.

 Для интересующихся попробую восстановить, как нажимал я на свои мозги, чтобы сделать окончательно прозрачным барьер между двумя видами ADD.
 В самом деле, почему резольвер открывает приводу дорогу в неограниченно малые скорости? Да просто потому, что и при неподвижном его роторе с выхода снимался сигнал постоянной высокой частоты возбуждения, создаваемый вращающимся магнитным полем. (Не пугайтесь, ещё 120 лет назад научились делать такое поле).
 А вот, если ротор начинал вращаться, даже чуть-чуть, то он тихонько полз навстречу полю, получалось, что скорость поля относительно ротора возрастала, и частота выходного сигнала чуть увеличивалась.
 Энкодер на малой скорости выдаёт импульсы слишком редко. Резольвер даёт хорошую частоту, а её маленькое повышение от медленного вращения – как раз то, что нужно для моего регулирования.

 Но почему бы не решить проблему так: добавить малую частоту энкодера к постоянной высокой частоте от кварцевого генератора и получить сигнал подобный резольверному? Такая мысль крутилась давно, да как сложить импульсы частые с редкими?
 Можно только воткнуть редкие между частыми. Но тогда в том месте, где они встретятся, получится сразу двукратное увеличение частоты. Этого привод не потерпит, взбрыкнёт, как конь, когда всадник неосторожно пришпорет его на всю катушку.

 Смотрю на только что родившуюся схему. Здесь именно так складываются частоты энкодера и кварца. Но полученная суммарная частота с резкими перебивками входит теперь в делитель частоты.
 В этом всё и дело! Все привыкли, что делитель, как ему вроде и полагается, просто делит. Например, входит в делитель с коэффициентом 100 частота 100.000 импульсов в секунду. Что получим на выходе? Правильно – 1000.
 А теперь пусть в частоту 100.000 энкодер на ползучей скорости вставляет, скажем, по одному импульсу в секунду. Если 100.001 разделить на 100, получится на выходе делителя почти то же самое, что и было.
 Не спешите. Всмотримся попристальнее в деятельность делителя. Кажется, он работает проще некуда: получил 100 импульсов – выдал 1, получил следующие 100 – выдал ещё 1, так и шпарит. Но вот при отсчёте очередной сотни в него заскочил один дополнительный импульс с энкодера. Теперь уже делитель выдаст импульс на 99-м импульсе с кварца. Ведь он получит положенные 100 импульсов.
 В этом всё и дело. Делитель выдаст импульс на одну стотысячную секунды раньше. И далее, хотя он продолжит получать импульсы только с кварца, и будет, как и прежде, выдавать каждый сотый, но про ту перебивку, оказывается, делитель не забудет. По сравнению с прежней работой он так и будет выдавать каждый сотый импульс, но на одну дольку раньше.
 То есть, как бы наш Мерседес (смотри параграф 45) сдвинулся чуть и наблюдатель из окна поезда это увидит и даст шофёру команду: «Прибавь немного!»

 Итак, мы научились получать в схеме с энкодером сообщение о малой скорости мотора. Теперь легко понять оставшееся.
 Как заставить ADD работать на малой скорости? Давайте, введём в частоту 100.000 на входе делителя ещё одну частоту «задания скорости». Например, малую частоту 1 импульс в секунду. Мы уже видели, что это приведёт к сдвигу импульса, выходящего из делителя и выдачу на мотор маленького напряжения. Допустим, его не хватает для трогания. Но через 1 секунду войдёт в делитель ещё один импульс задания, выходной импульс сдвинется ещё. И напряжение на моторе удвоится.
 Ясно, что через небольшое время напряжение возрастёт до необходимого, и мотор начнёт тихонько вращаться. Тогда его энкодер станет посылать свои импульсы на вход делителя.
 Сделаем так, чтобы импульсы с энкодера не добавляли, а напротив высекали по одному импульсу кварца (это для электронщика – дело техники). В результате мотор наберёт такую скорость, чтобы на каждый импульс частоты задания приходил точно один импульс энкодера. Вот мы и получили вращение на заданной низкой скорости. Например, если на энкодере 1000 меток, то он, очевидно, будет выдавать по одному импульсу в секунду на скорости один оборот за 1000 секунд. Это 0,06 оборота в минуту – уже замечательно низкая скорость и диапазон тысяч под сто.

 Ещё раз извиняюсь, что заставил читателя вместо отдыха напрягаться, но зато наш ADD с энкодером заработал на всех скоростях и даже научился, как вкопанный, останавливаться в заданном положении.
 А это уже есть заветное - позиционирование. Например, вместо частоты задания подаём ему 1000 импульсов, и мотор под восторженные клики всех работников фирмы срывается с места, проворачивается точно на 1 оборот и замирает. Теперь можно и побаловаться – давать импульсы по 5 или 500 штук или вообще, как хочется, и мотор прыгает на заданные доли оборота, или послушно крутится, словно пёсик у дрессировщика.

 Конечно, это на бумаге так всё гладко и быстро. Потребовалось время, чтобы перебороть неучтённые фокусы природы, а главное, ввести в действие множество возникших пожеланий по дополнительным умениям привода.
 Несмотря на всё, вскоре на нашем стенде встала новая маленькая платка, превратившая его в универсальный привод, работающий во всём диапазоне скоростей и в режиме позиционирования.

 Не удержаться мне ещё от одного технического объяснения. Ну, не хорошо же обманывать доверчивого читателя.
 Мы получили позиционирование, но обманное. Сейчас вы сами это поймёте.
 Вообще-то, моторы крутят не для того, чтобы удивлять почтеннейшую публику. Моторы должны работать. Например, иногда телевидение показывает даже среди новостей, как робот собирает на заводе автомобили. Мотор поворачивает «руку», которая поднимает тяжёлое колесо для его прикрепления на ось будущего авто.
 Допустим, для такого точного поворота мы (управляющий компьютер) выдали ADD определённое количество импульсов. Как и было рассказано, мотор повернёт вал на заданный угол...
 Нет, не повернёт, вернее не довернёт и остановит колесо, не дотащив его до точной позиции. Ведь работающий мотор должен удерживать тяжёлый груз. А для этого на него должно быть подано напряжение. А где же его возьмёт наш умный привод? Принцип один – сдвиг! Вот он и не докрутит до заданной позиции, чтобы в делитель вошёл не один, а несколько импульсов.
 Чем тяжелее груз, тем больше потребует мотор напряжения, и тем больше будет ошибка в позиционировании.

 Вот так оно и бывает в жизни инженера. Только что праздновал победу, и, на тебе – выплывает такой недостаток, что всё перечёркивает. Хорошо ещё, если понял это раньше, чем приделал свой привод к настоящему роботу.
 Бросить что ли всё это дело? И как теперь показаться на глаза обманутым сотрудникам?

 Но на то ты и спец, закалённый в битвах. Сначала вызываешь на помощь теорию. Так, всё понятно. Для позиционирования мало первой степени астатизма, которую так изящно создаёт мой принцип. Нельзя допустить, чтобы наш Мерседес отстал от поезда.
 Надо вводить вторую степень астатизма. (Этой идеей уже помучил читателя в параграфе 61 «Как разрывалась сталь». Здесь, потерпите, – будут лишь малые добавки.) Но как это сделать в нашей сплошь импульсной системе?

 И дунул ветр, и наполнил паруса, и забегала команда корабля, как писал поэт. А случилось это ночью во сне.
 Ей-ей, не приукрашиваю. Так явственно представилось мне решение, что проснулся, удивился, поняв серьёзность миража. Отвернитесь, пожалуйста, на минутку, одеваться некогда – зарисую продиктованное Свыше.

 Утром, нарушая привычный ритуал, первым делом, смотрю на листок, лежащий на столе.
 Надо же, опять меня выручает делитель частоты! И как стройно получается, надо повторить почти то, что ввёл раньше – ещё раз. Да ведь это решает не только искомую проблему. Так можно построить любой умножитель частоты, который позволяет получить из меньшей частоты любую большую. Малую из большой делает известный делитель. А вот большую из меньшей чистым дискретным способом делать не умел.

 В той жизни подал бы заявку на изобретение и получил рублей 50. Здесь – надо брать патент за свои деньги. На это я не могу пойти из принципа: изобретай, да ещё сам плати за это? Надо хотя бы написать статью в американский журнал, но уже лень. Расскажу-ка идею в этой своей книге. Не пугайтесь, получилось так просто и элегантно.

 Пусть от нагрузки в моём ADD произошёл тот самый сдвиг выходного импульса. Образовалась «щель», промежуток времени, в который подадим дополнительные импульсы высокой частоты на 2-ой делитель, который постоянно делит высокую частоту с кварца. Выходным импульсам со второго делителя поручим создавать напряжение на мотор точно так, как это раньше делали импульсы с первого делителя.
 Ясно, что в «щель» пройдёт на делитель пачка импульсов, которая сдвинет выходной импульс и прибавит напряжение на моторе. Тогда двигатель довернётся, энкодер пошлёт ещё несколько импульсов, уменьшая сдвиг на выходе 1-ого делителя, то есть, уменьшая ту самую щель, через которую пролезают импульсы на 2-ой делитель.
 Когда же закончится доворот мотора? Да когда он займёт идеально точную позицию, и щель сожмётся до нуля. Эта точная позиция будет сохраняться, ибо на мотор подано достаточное напряжение.
 Если попытаться теперь силой повернуть вал в ту или иную сторону, в первый момент он может от резкого рывка немного податься. Но тут же в появившуюся щель побегут импульсы, начнётся нарастающий сдвиг на выходе 2-го делителя и рост напряжения, которое выжмет мотор точно в прежнюю позицию.

 Вот теперь ADD, пройдя почти 40-летний путь развития, достиг полной зрелости. К тому же, мои помощники пристроили ему современный интерфейс – так называется модное и даже необходимое теперь устройство связи с компьютером, которое позволяет человеку ничего не знать и не понимать в приводе, но даже настраивать его и заставлять делать с машиной, что захочется.
 Совсем как в провидческом кинофильме «Киндзадза», где одичавшие люди вернулись в шкуры, но сохранилась умная техника, и тот, кто захватил в свои руки пульт управления, оказался властелином.

 Честно говоря, мне уже хотелось, чтобы молодые люди, работающие со мной, внесли что-то настоящее в идеи ADD, но, увы, все их предположения не оправдывались в их же собственных руках.
 Говорю это нисколько не из желания отличиться, а лишь заметить, что, видимо, настоящее коренное изобретение не даётся даже специалисту с кондачка, а требует искренней самоотверженной преданности делу. Вот в формы исполнения привода, как уже говорил, они вносили очень нужный модерн. Жизнь идёт вперед, и заказчики хотят видеть привод послушным роботом, пусть даже сложным и дорогим.

ФОТО

     На выставке достижений ученых-репатриантов Израиля.
  Министру промышленности Натану Щаранскому понравился наш точный привод,
  особенно беззвучное сцепление двух зубчатых колес,
  вращающихся на скорости 3000 оборотов в минуту

Несколько странное дополнение 20 апреля 2016.
        Сегодня мне приснился СОН
    Стою в окружении своих аспирантов. Они взволнованы.  Пошли разговоры, что при современных достижениях наше направление в приводе падает.
   Нет, я не согласен:
  –  Сегодня мы строим наш привод АДД по-новому. Берем пакеты измельченного фарфора и металлического порошка. Загружаем их в 3-Д принтер. Он по вашей программе выдает два макета привода АДД.
   Оператор голосом по мобильному телефону командует:
  -  Привод номер 1 запускается на скорость 1999,9 оборотов в минуту.
  -  Привод номер 2 запускается на скорость 1.0999 оборотов в минуту.
     Все видят, как закрутились два белоснежных макета, один на высокой скорости, а другой на ползучей. Цифровые указатели подтверждают задание и необычно высокую точность приводов.
  –  Вот вам актуальные темы для новых диссертаций.