基于西门子PLC的机器人伺服控制系统设计

分类：技术中心 1343人浏览 2017-03-27

20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国着名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。

90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。目前制约基于PLC的控制伺服系统在工业应用上的主要问题，主要包括以下几个方面：支持PLC控制伺服系统的智能设备造成初期投资的提高；系统结构如何变化，如何构筑一个基于PLC伺服的控制系统；通讯是否可靠；设备选型的局限性等对于用户的这些疑问等。

近几年来，随着机器人技术与控制技术的发展，机器人在日常生活和工农业生产中得到广泛应用。机器人对象是一个非线性、强耦合的多变量系统，在运动过程中．由于存在摩擦、负载变化等不确定因素，因而它还是一个时变系统。

传统的机器人控制技术大多是基于模型的控制方法，无法得到满意的轨迹跟踪效果模糊控制和神经网络等人工智能的发展为解决机器人轨迹跟踪问题提供了新的思路。普通模糊控制的控制规则大部分是人们的经验总结。不具备自学习、自适应的能力，往往还受到人的主观性的影响。因此不能很好地控制时变不确定的系统。

目前，工业机器人关节主要是采用交流伺服系统进行控制，本研究将技术成熟、编程方便、可靠性高、体积小的SIEMENSS-200可编程控制器，应用于可控环流可逆调系统，研制出机器人关节直流伺服系统，用以对工业机器人关节进行伺服控制。

机器人伺服控制系统建立

本系统中，立体定位系统作为主要数据输入通道，用于精确获取目标位置与机器人之间精确的相对位置。随后将这些现场实时空间信息融入先前建立的空间模型。期间需要确定前模型与实际的三维空间变换关系，即配准。

然后，机器人根据计算机辅助系统制定的运动计划进行运动操作。运动中，立体定位系统通过对机器人与目标空间位置的不断采集，结合机器人多轴控制器进行视觉控制。机器人控制系统如图1所示。框图中输入为机器人行走驱动伺服电机的反馈电流，输出为机器人的行走速度，由伺服调速实现。

机器人控制系统

图1 机器人控制系统

本文设计的机器人为六自由度机器人：三个转动三个平动。机器人的六自由度协同完成空间运动。考虑到设计的机器人属于小型机器人，希望尽量减轻重量。这样一来，由于刚度下降而要求限定机构整体负载，同时还要考虑机构高速运动时的稳定性。而且，该多自由度机构的刚度设计取决于运动的速度与方向。

▌控制系统结构

系统采用SIEMENS7-200型PLC，外加D/A数模转换模块，将PLC数字信号变成模拟信号，通过BT—I变流调速系统(主要由转速调节器ASR、电流调节器ACR、环流调节器ARR，正组触发器GTD、反组触发器GTS、电流反馈器TCV组成)驱动直流电机运转，驱动机器人关节按控制要求进行动作。系统结构如图2所示。

机器人伺服控制系统结构示意图

图2 机器人伺服控制系统结构示意图

▌系统工作原理

控制系统原理如图3所示，可控环流可逆调速系统的主电路采用交叉联接方式，整流变压器的一个副边绕组接成Y型，另一个接成△型，2个交流电源的相位错开30°，其环流电压的频率为l2倍工频。为了抑交流环流，在2组可控整流桥之间接放了2只均衡电抗器，电枢回路中仍保留一只平波电抗器。

工业机器人直流伺服系统原理图

图3 工业机器人直流伺服系统原理图

控制电路主要由转速调节器ASR、电流调节器ACR、环流调节器ARR，正组触发器GTD、反组触发器GTS、电流反馈器TCV组成如图3所示，其中2组触发器的同步信号分别取自与整流变压器相对应的同步变压器。

系统给定为零时，转速调节器ASR、电流调节器ACR被零速封锁信号锁零。此时，系统主要由环流调节器ARR组成交叉反馈的恒流系统。由于环流给定的影响，2组可控硅均处于整流状态，输出的电压大小相等、极性相反，直流电机电枢电压为零，电机停转，输出的电流流经2组可控硅形成环流。环流不宜过大，一般限制在电机额定电流的5%左右。

正向启动时，随着转速信号Ugn的增大，封锁信号解除，转速调节器ASR输正，电机正向运行。此时，正组电流反馈电压+Ufi2反映电机电枢电流与环流电流之和;反组电流反馈电压-Uril反映了电枢电流，因此可以对主电流进行调节。而正组环流调节器输入端所加的环流给定信号-Ugih和交叉电流反馈信号-Ufil对这个调节过程影响极小。

反组环流调节器的输入电压为(+Uk)+(-Ugih)+(Ufi2)，随着电枢电流的不断增大，当达到一定程度时，环流自动消失，反组可控硅进入待逆变状态。反向启动时情况相反。另外，可控环流可逆调速系统制动时仍然具有本桥逆变，反接制动和反馈制动等过程。由于启动过程也是环流逐渐减小的过程，因此，电机停转时，系统的环流达最大值。环流有助于系统越过切换死区，改善过渡特性。

▌伺服控制系统调速控制系统及其原理

伺服电机调速系统由伺服驱动器、电动机及其控制系统构成。伺服调速系统通过改变异步电动机定子的供电源频率，从而改变电动机同步转速，其调速特性基本上保持了伺服电动机固有的机械特性硬度高、转差率小的特点，同时具有效率高、调速范围宽、精度高、调速平滑等优点。伺服调速工作原理图如图3所示。

伺服调速工作原理图

（a）伺服驱动器工作原理图（b）伺服调速工作原理框图

图3伺服调速工作原理图

改变电机频率和极数均可改变电机的转速。因此改变电动机频率就可以实现调速运转。

伺服驱动系统主要设备是提供变频电源的伺服驱动，伺服驱动器可分成交-直-驱动器和直-交变频器两大类，目前国内大都使用交-直-交驱动器。其特点是效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广；调速范围大，精度高。

改变定子电源频率可以改变同步转速和电机的转速。又由电动机的电势公式可知外加电压近似与频率和磁通的乘积成正比，即

机器人计算公式

由上式可知，若外加电压不变，则磁通随频率改变而改变。一般电机在设计中为了充分利用铁心材料都把磁通Ф的数值选在接近磁饱和的数值上，因此，如果频率从额定值往下降低，磁通会增加，将造成磁路过饱和，励磁电流增加，铁心过热，这是不允许的。为此我们要在降频的同时还要降压，这就要求频率与电压能协调控制。

系统程序设计

程序设计方案为手动输入一个角度值，让电机转动，通过与电动机相联的光电码盘来检测电动机转的角度，将转动角度变成脉冲信号。由于电动机的转速非常快，所以只能把脉冲信号送往PLC的高速计数器。然后将计数器的脉冲记录与手输入的进行比较，如果两者相等说明电动机已经到达指定角度位置，否则继续进行修正。值得注意的是，由于电动机从转动突变到停止会有一定的惯性，因此在进行信号比较时应允许有一定的误差，不然电动机就会始终处在修正位置状态。系统程序框图如图4所示。

系统程序框图