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基于西門子PLC的機器人伺服控制系統設計

文：2017年第一期

引言

20世紀80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術和交流可變速驅動技術的發展，永磁交流伺服驅動技術有了突出的發展，各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機和伺服驅動器系列產品并不斷完善和更新。交流伺服系統已成為當代高性能伺服系統的主要發展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。90年代以后，世界各國已經商品化了的交流伺服系統是采用全數字控制的正弦波電動機伺服驅動。交流伺服驅動裝置在傳動領域的發展日新月異。目前制約基于PLC的控制伺服系統在工業應用上的主要問題，主要包括以下幾個方面：支持PLC控制伺服系統的智能設備造成初期投資的提高；系統結構如何變化，如何構筑一個基于PLC伺服的控制系統；通訊是否可靠；設備選型的局限性等對于用戶的這些疑問等。

近幾年來，隨著機器人技術與控制技術的發展，機器人在日常生活和工農業生產中得到廣泛應用。機器人對象是一個非線性、強耦合的多變量系統，在運動過程中．由于存在摩擦、負載變化等不確定因素，因而它還是一個時變系統。傳統的機器人控制技術大多是基于模型的控制方法，無法得到滿意的軌跡跟蹤效果模糊控制和神經網絡等人工智能的發展為解決機器人軌跡跟蹤問題提供了新的思路。普通模糊控制的控制規則大部分是人們的經驗總結。不具備自學習、自適應的能力，往往還受到人的主觀性的影響。因此不能很好地控制時變不確定的系統。

目前，工業機器人關節主要是采用交流伺服系統進行控制，本研究將技術成熟、編程方便、可靠性高、體積小的SIEMENSS-200可編程控制器，應用于可控環流可逆調系統，研制出機器人關節直流伺服系統，用以對工業機器人關節進行伺服控制。

1、機器人伺服控制系統建立

本系統中，立體定位系統作為主要數據輸入通道，用于精確獲取目標位置與機器人之間精確的相對位置。隨后將這些現場實時空間信息融入先前建立的空間模型。期間需要確定前模型與實際的三維空間變換關系，即配準。

然后，機器人根據計算機輔助系統制定的運動計劃進行運動操作。運動中，立體定位系統通過對機器人與目標空間位置的不斷采集，結合機器人多軸控制器進行視覺控制。機器人控制系統如圖1所示。框圖中輸入為機器人行走驅動伺服電機的反饋電流，輸出為機器人的行走速度，由伺服調速實現。

圖1 機器人控制系統

本文設計的機器人為六自由度機器人：三個轉動三個平動。機器人的六自由度協同完成空間運動。考慮到設計的機器人屬于小型機器人，希望盡量減輕重量。這樣一來，由于剛度下降而要求限定機構整體負載，同時還要考慮機構高速運動時的穩定性。而且，該多自由度機構的剛度設計取決于運動的速度與方向。

1.1控制系統結構

系統采用SIEMENS7-200型PLC，外加D/A數模轉換模塊，將PLC數字信號變成模擬信號，通過BT—I變流調速系統(主要由轉速調節器ASR、電流調節器ACR、環流調節器ARR，正組觸發器GTD、反組觸發器GTS、電流反饋器TCV組成)驅動直流電機運轉，驅動機器人關節按控制要求進行動作。系統結構如圖2所示。

圖2 機器人伺服控制系統結構示意圖

1.2系統工作原理

控制系統原理如圖3所示，可控環流可逆調速系統的主電路采用交叉聯接方式，整流變壓器的一個副邊繞組接成Y型，另一個接成△型，2個交流電源的相位錯開30°，其環流電壓的頻率為l2倍工頻。為了抑交流環流，在2組可控整流橋之間接放了2只均衡電抗器，電樞回路中仍保留一只平波電抗器。

圖3 工業機器人直流伺服系統原理圖

控制電路主要由轉速調節器ASR、電流調節器ACR、環流調節器ARR，正組觸發器GTD、反組觸發器GTS、電流反饋器TCV組成如圖3所示，其中2組觸發器的同步信號分別取自與整流變壓器相對應的同步變壓器。

系統給定為零時，轉速調節器ASR、電流調節器ACR被零速封鎖信號鎖零。此時，系統主要由環流調節器ARR組成交叉反饋的恒流系統。由于環流給定的影響，2組可控硅均處于整流狀態，輸出的電壓大小相等、極性相反，直流電機電樞電壓為零，電機停轉，輸出的電流流經2組可控硅形成環流。環流不宜過大，一般限制在電機額定電流的5%左右。正向啟動時，隨著轉速信號Ugn的增大，封鎖信號解除，轉速調節器ASR輸正，電機正向運行。此時，正組電流反饋電壓+Ufi2反映電機電樞電流與環流電流之和;反組電流反饋電壓-Uril反映了電樞電流，因此可以對主電流進行調節。而正組環流調節器輸入端所加的環流給定信號-Ugih和交叉電流反饋信號-Ufil對這個調節過程影響極小。反組環流調節器的輸入電壓為(+Uk)+(-Ugih)+(Ufi2)，隨著電樞電流的不斷增大，當達到一定程度時，環流自動消失，反組可控硅進入待逆變狀態。反向啟動時情況相反。另外，可控環流可逆調速系統制動時仍然具有本橋逆變，反接制動和反饋制動等過程。由于啟動過程也是環流逐漸減小的過程，因此，電機停轉時，系統的環流達最大值。環流有助于系統越過切換死區，改善過渡特性。1.3伺服控制系統調速控制系統及其原理

伺服電機調速系統由伺服驅動器、電動機及其控制系統構成。伺服調速系統通過改變異步電動機定子的供電源頻率，從而改變電動機同步轉速，其調速特性基本上保持了伺服電動機固有的機械特性硬度高、轉差率小的特點，同時具有效率高、調速范圍寬、精度高、調速平滑等優點。伺服調速工作原理圖如圖3所示。

（a）伺服驅動器工作原理圖（b）伺服調速工作原理框圖

圖3伺服調速工作原理圖

改變電機頻率和極數均可改變電機的轉速。因此改變電動機頻率就可以實現調速運轉。

伺服驅動系統主要設備是提供變頻電源的伺服驅動，伺服驅動器可分成交-直-驅動器和直-交變頻器兩大類，目前國內大都使用交-直-交驅動器。其特點是效率高，調速過程中沒有附加損耗；應用范圍廣；調速范圍大，精度高。

改變定子電源頻率可以改變同步轉速和電機的轉速。又由電動機的電勢公式可知外加電壓近似與頻率和磁通的乘積成正比，即

由上式可知，若外加電壓不變，則磁通隨頻率改變而改變。一般電機在設計中為了充分利用鐵心材料都把磁通Ф的數值選在接近磁飽和的數值上，因此，如果頻率從額定值往下降低，磁通會增加，將造成磁路過飽和，勵磁電流增加，鐵心過熱，這是不允許的。為此我們要在降頻的同時還要降壓，這就要求頻率與電壓能協調控制。

2、系統程序設計

程序設計方案為手動輸入一個角度值，讓電機轉動，通過與電動機相聯的光電碼盤來檢測電動機轉的角度，將轉動角度變成脈沖信號。由于電動機的轉速非常快，所以只能把脈沖信號送往PLC的高速計數器。然后將計數器的脈沖記錄與手輸入的進行比較，如果兩者相等說明電動機已經到達指定角度位置，否則繼續進行修正。值得注意的是，由于電動機從轉動突變到停止會有一定的慣性，因此在進行信號比較時應允許有一定的誤差，不然電動機就會始終處在修正位置狀態。系統程序框圖如圖4所示。