基于PLC的機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)

1 引 言

　　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，本研究將技術(shù)成熟、編程方便、可靠性高、體積小的SIEMENS S-200可編程控制器 ，應(yīng)用于可控環(huán)流可逆調(diào)系統(tǒng)，研制出機(jī)器人關(guān)節(jié)直流伺服系統(tǒng)，用以對(duì)工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)進(jìn)行伺服控制。

　　2 工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)直流伺服系統(tǒng)

　　工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)是由直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)達(dá)到對(duì)工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的伺服控制的目的。

　　2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)采用SIEMEN S7-200型PLC， 外加D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，將PLC數(shù)字信號(hào)變成模擬信號(hào)，通過(guò)BT—I變流調(diào)速系統(tǒng)(主要由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR、環(huán)流調(diào)節(jié)器ARR，正組觸發(fā)器GTD、反組觸發(fā)器GTS、電流反饋器TCV組成)驅(qū)動(dòng)直流電機(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1所示。

　　圖1 機(jī)器人關(guān)節(jié)直流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　2.2 系統(tǒng)工作原理

　　系統(tǒng)原理如圖2所示，可控環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用交叉聯(lián)接方式，整流變壓器的一個(gè)副邊繞組接成Y型，另一個(gè)接成△ 型，2個(gè)交流電源的相位錯(cuò)開(kāi)30°，其環(huán)流電壓的頻率為l2倍工頻。為了抑交流環(huán)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。

　　控制電路主要由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR、環(huán)流調(diào)節(jié)器ARR， 正組觸發(fā)器GTD、反組觸發(fā)器GTS、電流反饋器TCV組成(見(jiàn)圖2)，其中2組觸發(fā)器的同步信號(hào)分別取自與整流變壓器相對(duì)應(yīng)的同步變壓器。

　　圖2 工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)直流伺服系統(tǒng)原理圖

　　系統(tǒng)給定為零時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR被零速封鎖信號(hào)鎖零。此時(shí)，系統(tǒng)主要由環(huán)流調(diào)節(jié)器ARR組成交叉反饋的恒流系統(tǒng)。由于環(huán)流給定的影響，2組可控硅均處于整流狀態(tài)，輸出的電壓大小相等、極性相反，直流電機(jī)電樞電壓為零，電機(jī)停轉(zhuǎn)，輸出的電流流經(jīng)2組可控硅形成環(huán)流。環(huán)流不宜過(guò)大，一般限制在電機(jī)額定電流的5%左右。正向啟動(dòng)時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速信號(hào)Ugn的增大，封鎖信號(hào)解除，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸正， 電機(jī)正向運(yùn)行。此時(shí)，正組電流反饋電壓+Ufi2反映電機(jī)電樞電流與環(huán)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(duì)主電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。而正組環(huán)流調(diào)節(jié)器輸入端所加的環(huán)流給定信號(hào)-Ugih和交叉電流反饋信號(hào)-Ufil對(duì)這個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程影響極小。反組環(huán)流調(diào)節(jié)器的輸入電壓為(+Uk)+(-Ugih)+(Ufi2)，隨著電樞電流的不斷增大，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，環(huán)流自動(dòng)消失，反組可控硅進(jìn)入待逆變狀態(tài)。反向啟動(dòng)時(shí)情況相反。另外，可控環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)仍然具有本橋逆變，反接制動(dòng)和反饋制動(dòng)等過(guò)程。由于啟動(dòng)過(guò)程也是環(huán)流逐漸減小的過(guò)程， 因此， 電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)的環(huán)流達(dá)最大值。環(huán)流有助于系統(tǒng)越過(guò)切換死區(qū)，改善過(guò)渡特性。

　　3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

　　程序設(shè)計(jì)方案為手動(dòng)輸入一個(gè)角度值，讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)與電動(dòng)機(jī)相聯(lián)的光電碼盤(pán)來(lái)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)的角度，將轉(zhuǎn)動(dòng)角度變成脈沖信號(hào)。由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速非常快，所以只能把脈沖信號(hào)送往PLC的高速計(jì)數(shù)器。然后將計(jì)數(shù)器的脈沖記錄與手輸入的進(jìn)行比較，如果兩者相等說(shuō)明電動(dòng)機(jī)已經(jīng)到達(dá)指定角度位置，否則繼續(xù)進(jìn)行修正。值得注意的是，由于電動(dòng)機(jī)從轉(zhuǎn)動(dòng)突變到停止會(huì)有一定的慣性， 因此在進(jìn)行信號(hào)比較時(shí)應(yīng)允許有一定的誤差，不然電動(dòng)機(jī)就會(huì)始終處在修正位置狀態(tài)。系統(tǒng)程序框圖如圖3所示。

　　圖3 系統(tǒng)程序框圖

　　4 結(jié) 論

　　基于PLC研制的直流伺服系統(tǒng)，利用PLC擴(kuò)展能力強(qiáng)的特點(diǎn)，添裝手動(dòng)輸放裝置，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。