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摘要：本文通過對機器人自由度功能的研制和開發，為適應各種工作環境的不同要求而開發出各種機構。以伺服電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執行機構，在自動控制理論的基礎下組成了電氣傳動自動控制系統。通過利用西門子1200PLC的運動控制功能和伺服控制器完成了對伺服電機轉速精準的控制。并采用PLC提高了系統控制的可靠性和精確度并且滿足工業生產的需要。

關鍵詞：西門子1200，機器人，伺服系統

引言

20世紀80年代以來，電力電子裝置的控制技術研究十分活躍，各種現代控制理論，如自適應控制和滑模變結構控制，以及智能控制和高動態性能控制都是研究的熱點。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。

控制系統的軟化對CPU芯片提出了更高的要求，為了實現高性能的交流調速，要進行矢量的坐標變換，磁通矢量的在線計算和適應參數變化而修正磁通模型，以及內部的加速度、速度、位置的重疊外環控制的在線實時調節等，都需要存儲多種數據和快速實時處理大量信息。可以預見，隨著計算機芯片容量的增加和運算速度的加快，交流調速系統的性能將得到很大的提高。控制領域的其他新技術如現場總線、自適應控制、遺傳算法等，也將引入到交流傳動領域，給伺服電機調速的控制技術帶來重大的影響。交流伺服技術——交流伺服電機和交流伺服控制系統逐漸成為主導產品。交流伺服驅動技術已經成為工業領域實現自動化的基礎技術之一，并將逐漸取代直流伺服系統。

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，西門子PLC是由國際知名的自動化公司研發的，完全是為了滿足工業自動化領域的應用的PLC和組態。伺服系統運用的行業是一個自動化程度非常高的行業，這些系統都存在可靠性要求高、監控設備和對象多而復雜、實時性要求高等特點。隨著現伺服技術和遠程控制日益成熟信息化要求的提高，基于現場總線的控制系統將為電力行業自動化系統提供更好的選擇。本研究將技術成熟、編程方便、可靠性高、體積小的可編程控制器，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。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。機器人控制系統如圖1所示。

圖1機器人控制系統

1.1伺服驅動器

控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統的一部分，主要應用于高精度的定位系統。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服馬達進行控制，實現高精度的傳動系統定位，目前是傳動技術的高端產品。

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-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。

1.2交流伺服電機的組成

伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統中，用作執行元件，且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。

交流伺服電動機的結構主要可分為兩大部分，即定子部分和轉子。其中定子的結構與旋轉變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90°電角度的兩相繞組，如圖1所示。其中L1-L2稱為勵磁繞組，k1-k2稱為控制繞組，所以交流伺服電動機是一種兩相的交流電動機。

系統采用1200型PLC，通過外加D/A數模轉換模塊，將PLC數字信號變成模擬信號，通過伺服控制器驅動直流伺服電機運轉，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。

2控制系統設計

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。

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。

2.1控制電路

PLC為本系統總控制器，本系統用到的PLC通過特制電纜連接伺服驅動器；驅動器再接伺服電機；伺服電機通過伺服驅動器給PLC一個反饋信號，這個反饋信號接PLC的模擬量輸入端。這樣便于控制更加精準和快速。由用戶程序控制PLC的動作，PLC的動作引起欺負驅動器的反應，從而達到控制電機轉速的目的。編碼器接24V直流電源。伺服驅動器接220V交流電。工業控制計算機通過PPI電纜連接PLC，用戶可以通過組態軟件觀察控制系統工作情況。從而實現遠程控制電機調速系統。

2.2系統設計

PLC控制器為系統主控制器；伺服驅動器通過自帶的通信模塊可以很方便地連接到PLC控制網絡上；使用西門子的編程軟件博圖設計梯形圖程序，并下載到PLC控制器中，實現遠程基于S7-1200對伺服驅動器控制，進而實現對電機的調速。其中，計算機用于系統的組態、監控和編程，PPI電纜負責PLC控制器與計算機之間的通信，而PLC控制器進行順序和傳動控制，通過伺服驅動器專用線將控制器命令傳達給伺服驅動器，同時接受伺服驅動器的狀態并實現實時反饋信息。控制程序將速度給定值命令信息以控制字的數據格式傳給PLC控制器，實現伺服驅動器的自動控制。

3結論

伺服電機、PLC、接觸器等可安裝在一臺控制柜內，可進行就地或遠程操作，其操作方式簡單靈活。西門子PLC具有功能齊全、模塊化編程、簡單可靠等優點，而且其組態畫面調試方便，利于現場操作人員調試。組態軟件作為用戶可定制功能的軟件平臺工具，利用其良好的通信能力和人機界面，在PC機上開發出友好界面，使工作人員可以實時監控，同時可實現系統故障報警、打印報表。本文中的基于S7-1200伺服電機調速系統正好充分利用了西門子PLC的這些特點。基于PLC研制的直流伺服系統，利用PLC擴展能力強的特點，，實現工業機器人關節直流伺服系統的可視操作。其優點是：（1）無需改變電路結構，即可通過程序實現電機正反轉的控制；（2）能夠使電機不等待停止轉動即可立刻反方向轉動；（3）可令電機急停，避免電機慣性轉動；（4）編程、維護方便。