摘要：本文通過對機器人自由度功能的研制和開發(fā)，為適應各種工作環(huán)境的不同要求而開發(fā)出各種機構(gòu)。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(zhí)行機構(gòu)，在自動控制理論的基礎(chǔ)下組成了電氣傳動自動控制系統(tǒng)。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(zhuǎn)速精準的控制。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，機器人，伺服系統(tǒng)

引言

20世紀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，如自適應控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制，以及智能控制和高動態(tài)性能控制都是研究的熱點。隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動技術(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機和伺服驅(qū)動器系列產(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。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機伺服驅(qū)動。交流伺服驅(qū)動裝置在傳動領(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(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，為了實現(xiàn)高性能的交流調(diào)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(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)控制的在線實時調(diào)節(jié)等，都需要存儲多種數(shù)據(jù)和快速實時處理大量信息?？梢灶A見，隨著計算機芯片容量的增加和運算速度的加快，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、自適應控制、遺傳算法等，也將引入到交流傳動領(lǐng)域，給伺服電機調(diào)速的控制技術(shù)帶來重大的影響。交流伺服技術(shù)——交流伺服電機和交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為主導產(chǎn)品。交流伺服驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化的基礎(chǔ)技術(shù)之一，并將逐漸取代直流伺服系統(tǒng)。

近幾年來，隨著機器人技術(shù)與控制技術(shù)的發(fā)展，機器人在日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(tǒng)，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(tǒng)。傳統(tǒng)的機器人控制技術(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)絡等人工智能的發(fā)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(guī)則大部分是人們的經(jīng)驗總結(jié)。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(tǒng)。

目前，工業(yè)機器人關(guān)節(jié)主要是采用交流伺服系統(tǒng)進行控制，西門子PLC是由國際知名的自動化公司研發(fā)的，完全是為了滿足工業(yè)自動化領(lǐng)域的應用的PLC和組態(tài)。伺服系統(tǒng)運用的行業(yè)是一個自動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)備和對象多而復雜、實時性要求高等特點。隨著現(xiàn)伺服技術(shù)和遠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，研制出機器人關(guān)節(jié)直流伺服系統(tǒng)，用以對工業(yè)機器人關(guān)節(jié)進行伺服控制。

1機器人伺服控制系統(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，用于精確獲取目標位置與機器人之間精確的相對位置。隨后將這些現(xiàn)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(guān)系，即配準。然后，機器人根據(jù)計算機輔助系統(tǒng)制定的運動計劃進行運動操作。運動中，立體定位系統(tǒng)通過對機器人與目標空間位置的不斷采集，結(jié)合機器人多軸控制器進行視覺控制?？驁D中輸入為機器人行走驅(qū)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(diào)速實現(xiàn)。機器人控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1機器人控制系統(tǒng)

1.1伺服驅(qū)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(tǒng)的一部分，主要應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進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位，目前是傳動技術(shù)的高端產(chǎn)品。

伺服電機調(diào)速系統(tǒng)由伺服驅(qū)動器、電動機及其控制系統(tǒng)構(gòu)成。伺服調(diào)速系統(tǒng)通過改變異步電動機定子的供電源頻率，從而改變電動機同步轉(zhuǎn)速，其調(diào)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(zhuǎn)差率小的特點，同時具有效率高、調(diào)速范圍寬、精度高、調(diào)速平滑等優(yōu)點。

伺服驅(qū)動系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的伺服驅(qū)動，伺服驅(qū)動器可分成交-直-驅(qū)動器和-交變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交-直-交驅(qū)動器。其特點是效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗；應用范圍廣；調(diào)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(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

交流伺服電動機的結(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(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)動直流伺服電機運轉(zhuǎn)，驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)按控制要求進行動作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2控制系統(tǒng)設(shè)計

伺服電機調(diào)速系統(tǒng)由伺服驅(qū)動器、電動機及其控制系統(tǒng)構(gòu)成。伺服調(diào)速系統(tǒng)通過改變異步電動機定子的供電源頻率，從而改變電動機同步轉(zhuǎn)速，其調(diào)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(zhuǎn)差率小的特點，同時具有效率高、調(diào)速范圍寬、精度高、調(diào)速平滑等優(yōu)點。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

改變電機頻率和極數(shù)均可改變電機的轉(zhuǎn)速。因此改變電動機頻率就可以實現(xiàn)調(diào)速運轉(zhuǎn)。

伺服驅(qū)動系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的伺服驅(qū)動，伺服驅(qū)動器可分成交-直-驅(qū)動器和直-交變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交-直-交驅(qū)動器。其特點是效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗；應用范圍廣；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)動器；驅(qū)動器再接伺服電機；伺服電機通過伺服驅(qū)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(qū)動器的反應，從而達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。編碼器接24V直流電源。伺服驅(qū)動器接220V交流電。工業(yè)控制計算機通過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。從而實現(xiàn)遠程控制電機調(diào)速系統(tǒng)。

2.2系統(tǒng)設(shè)計

PLC控制器為系統(tǒng)主控制器；伺服驅(qū)動器通過自帶的通信模塊可以很方便地連接到PLC控制網(wǎng)絡上；使用西門子的編程軟件博圖設(shè)計梯形圖程序，并下載到PLC控制器中，實現(xiàn)遠程基于S7-1200對伺服驅(qū)動器控制，進而實現(xiàn)對電機的調(diào)速。其中，計算機用于系統(tǒng)的組態(tài)、監(jiān)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(qū)動器專用線將控制器命令傳達給伺服驅(qū)動器，同時接受伺服驅(qū)動器的狀態(tài)并實現(xiàn)實時反饋信息。控制程序?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，實現(xiàn)伺服驅(qū)動器的自動控制。

3結(jié)論

伺服電機、PLC、接觸器等可安裝在一臺控制柜內(nèi)，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(yōu)點，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界面，在PC機上開發(fā)出友好界面，使工作人員可以實時監(jiān)控，同時可實現(xiàn)系統(tǒng)故障報警、打印報表。本文中的基于S7-1200伺服電機調(diào)速系統(tǒng)正好充分利用了西門子PLC的這些特點?；赑LC研制的直流伺服系統(tǒng)，利用PLC擴展能力強的特點，，實現(xiàn)工業(yè)機器人關(guān)節(jié)直流伺服系統(tǒng)的可視操作。其優(yōu)點是：（1）無需改變電路結(jié)構(gòu)，即可通過程序?qū)崿F(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)的控制；（2）能夠使電機不等待停止轉(zhuǎn)動即可立刻反方向轉(zhuǎn)動；（3）可令電機急停，避免電機慣性轉(zhuǎn)動；（4）編程、維護方便。