摘要：本文通過對機(jī)器人自由度功能的研制和開發(fā)，為適應(yīng)各種工作環(huán)境的不同要求而開發(fā)出各種機(jī)構(gòu)。以伺服電動(dòng)機(jī)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(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的基礎(chǔ)下組成了電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過利用西門子1200PLC的運(yùn)動(dòng)控制功能和伺服控制器完成了對伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速精準(zhǔn)的控制。并采用PLC提高了系統(tǒng)控制的可靠性和精確度并且滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。

關(guān)鍵詞：西門子1200，機(jī)器人，伺服系統(tǒng)

引言

20世紀(jì)80年代以來，電力電子裝置的控制技術(shù)研究十分活躍，各種現(xiàn)代控制理論，如自適應(yīng)控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制，以及智能控制和高動(dòng)態(tài)性能控制都是研究的熱點(diǎn)。隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)有了突出的發(fā)展，各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機(jī)。90年代以后，世界各國已經(jīng)商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)。交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置在傳動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。目前制約基于PLC的控制伺服系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用上的主要問題，主要包括以下幾個(gè)方面：支持PLC控制伺服系統(tǒng)的智能設(shè)備造成初期投資的提高；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如何變化，如何構(gòu)筑一個(gè)基于PLC伺服的控制系統(tǒng)；通訊是否可靠；設(shè)備選型的局限性等對于用戶的這些疑問等。

控制系統(tǒng)的軟化對CPU芯片提出了更高的要求，為了實(shí)現(xiàn)高性能的交流調(diào)速，要進(jìn)行矢量的坐標(biāo)變換，磁通矢量的在線計(jì)算和適應(yīng)參數(shù)變化而修正磁通模型，以及內(nèi)部的加速度、速度、位置的重疊外環(huán)控制的在線實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)等，都需要存儲多種數(shù)據(jù)和快速實(shí)時(shí)處理大量信息?？梢灶A(yù)見，隨著計(jì)算機(jī)芯片容量的增加和運(yùn)算速度的加快，交流調(diào)速系統(tǒng)的性能將得到很大的提高?？刂祁I(lǐng)域的其他新技術(shù)如現(xiàn)場總線、自適應(yīng)控制、遺傳算法等，也將引入到交流傳動(dòng)領(lǐng)域，給伺服電機(jī)調(diào)速的控制技術(shù)帶來重大的影響。交流伺服技術(shù)——交流伺服電機(jī)和交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為主導(dǎo)產(chǎn)品。交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)技術(shù)之一，并將逐漸取代直流伺服系統(tǒng)。

近幾年來，隨著機(jī)器人技術(shù)與控制技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人在日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。機(jī)器人對象是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，在運(yùn)動(dòng)過程中．由于存在摩擦、負(fù)載變化等不確定因素，因而它還是一個(gè)時(shí)變系統(tǒng)。傳統(tǒng)的機(jī)器人控制技術(shù)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能的發(fā)展為解決機(jī)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(guī)則大部分是人們的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。不具備自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)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(shí)變不確定的系統(tǒng)。

目前，工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)主要是采用交流伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，西門子PLC是由國際知名的自動(dòng)化公司研發(fā)的，完全是為了滿足工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用的PLC和組態(tài)。伺服系統(tǒng)運(yùn)用的行業(yè)是一個(gè)自動(dòng)化程度非常高的行業(yè)，這些系統(tǒng)都存在可靠性要求高、監(jiān)控設(shè)備和對象多而復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)。隨著現(xiàn)伺服技術(shù)和遠(yuǎn)程控制日益成熟信息化要求的提高，基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)將為電力行業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)提供更好的選擇。本研究將技術(shù)成熟、編程方便、可靠性高、體積小的可編程控制器，研制出機(jī)器人關(guān)節(jié)直流伺服系統(tǒng)，用以對工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)進(jìn)行伺服控制。

1機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)建立

本系統(tǒng)中，立體定位系統(tǒng)作為主要數(shù)據(jù)輸入通道，用于精確獲取目標(biāo)位置與機(jī)器人之間精確的相對位置。隨后將這些現(xiàn)場實(shí)時(shí)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(shí)際的三維空間變換關(guān)系，即配準(zhǔn)。然后，機(jī)器人根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)制定的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃進(jìn)行運(yùn)動(dòng)操作。運(yùn)動(dòng)中，立體定位系統(tǒng)通過對機(jī)器人與目標(biāo)空間位置的不斷采集，結(jié)合機(jī)器人多軸控制器進(jìn)行視覺控制?？驁D中輸入為機(jī)器人行走驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的反饋電流，輸出為機(jī)器人的行走速度，由伺服調(diào)速實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1機(jī)器人控制系統(tǒng)

1.1伺服驅(qū)動(dòng)器

控制伺服電機(jī)的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服馬達(dá)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位，目前是傳動(dòng)技術(shù)的高端產(chǎn)品。

伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)構(gòu)成。伺服調(diào)速系統(tǒng)通過改變異步電動(dòng)機(jī)定子的供電源頻率，從而改變電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速，其調(diào)速特性基本上保持了伺服電動(dòng)機(jī)固有的機(jī)械特性硬度高、轉(zhuǎn)差率小的特點(diǎn)，同時(shí)具有效率高、調(diào)速范圍寬、精度高、調(diào)速平滑等優(yōu)點(diǎn)。

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的伺服驅(qū)動(dòng)，伺服驅(qū)動(dòng)器可分成交-直-驅(qū)動(dòng)器和-交變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交-直-交驅(qū)動(dòng)器。其特點(diǎn)是效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗；應(yīng)用范圍廣；調(diào)速范圍大，精度高。

1.2交流伺服電機(jī)的組成

伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要可分為兩大部分，即定子部分和轉(zhuǎn)子。其中定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)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(lì)磁繞組，k1-k2稱為控制繞組，所以交流伺服電動(dòng)機(jī)是一種兩相的交流電動(dòng)機(jī)。

系統(tǒng)采用1200型PLC，通過外加D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，將PLC數(shù)字信號變成模擬信號，通過伺服控制器驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)按控制要求進(jìn)行動(dòng)作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)構(gòu)成。伺服調(diào)速系統(tǒng)通過改變異步電動(dòng)機(jī)定子的供電源頻率，從而改變電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速，其調(diào)速特性基本上保持了伺服電動(dòng)機(jī)固有的機(jī)械特性硬度高、轉(zhuǎn)差率小的特點(diǎn)，同時(shí)具有效率高、調(diào)速范圍寬、精度高、調(diào)速平滑等優(yōu)點(diǎn)。伺服調(diào)速工作原理圖如圖3所示。

圖3伺服調(diào)速工作原理圖

改變電機(jī)頻率和極數(shù)均可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此改變電動(dòng)機(jī)頻率就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)。

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的伺服驅(qū)動(dòng)，伺服驅(qū)動(dòng)器可分成交-直-驅(qū)動(dòng)器和直-交變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交-直-交驅(qū)動(dòng)器。其特點(diǎn)是效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗；應(yīng)用范圍廣；調(diào)速范圍大，精度高。

2.1控制電路

PLC為本系統(tǒng)總控制器，本系統(tǒng)用到的PLC通過特制電纜連接伺服驅(qū)動(dòng)器；驅(qū)動(dòng)器再接伺服電機(jī)；伺服電機(jī)通過伺服驅(qū)動(dòng)器給PLC一個(gè)反饋信號，這個(gè)反饋信號接PLC的模擬量輸入端。這樣便于控制更加精準(zhǔn)和快速。由用戶程序控制PLC的動(dòng)作，PLC的動(dòng)作引起欺負(fù)驅(qū)動(dòng)器的反應(yīng)，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。編碼器接24V直流電源。伺服驅(qū)動(dòng)器接220V交流電。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過PPI電纜連接PLC，用戶可以通過組態(tài)軟件觀察控制系統(tǒng)工作情況。從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。

2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC控制器為系統(tǒng)主控制器；伺服驅(qū)動(dòng)器通過自帶的通信模塊可以很方便地連接到PLC控制網(wǎng)絡(luò)上；使用西門子的編程軟件博圖設(shè)計(jì)梯形圖程序，并下載到PLC控制器中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程基于S7-1200對伺服驅(qū)動(dòng)器控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的調(diào)速。其中，計(jì)算機(jī)用于系統(tǒng)的組態(tài)、監(jiān)控和編程，PPI電纜負(fù)責(zé)PLC控制器與計(jì)算機(jī)之間的通信，而PLC控制器進(jìn)行順序和傳動(dòng)控制，通過伺服驅(qū)動(dòng)器專用線將控制器命令傳達(dá)給伺服驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)接受伺服驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋信息?？刂瞥绦?qū)⑺俣冉o定值命令信息以控制字的數(shù)據(jù)格式傳給PLC控制器，實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)器的自動(dòng)控制。

3結(jié)論

伺服電機(jī)、PLC、接觸器等可安裝在一臺控制柜內(nèi)，可進(jìn)行就地或遠(yuǎn)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(yōu)點(diǎn)，而且其組態(tài)畫面調(diào)試方便，利于現(xiàn)場操作人員調(diào)試。組態(tài)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(jī)界面，在PC機(jī)上開發(fā)出友好界面，使工作人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障報(bào)警、打印報(bào)表。本文中的基于S7-1200伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)正好充分利用了西門子PLC的這些特點(diǎn)?；赑LC研制的直流伺服系統(tǒng)，利用PLC擴(kuò)展能力強(qiáng)的特點(diǎn)，，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)直流伺服系統(tǒng)的可視操作。其優(yōu)點(diǎn)是：（1）無需改變電路結(jié)構(gòu)，即可通過程序?qū)崿F(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制；（2）能夠使電機(jī)不等待停止轉(zhuǎn)動(dòng)即可立刻反方向轉(zhuǎn)動(dòng)；（3）可令電機(jī)急停，避免電機(jī)慣性轉(zhuǎn)動(dòng)；（4）編程、維護(hù)方便。