PLC的工業機器人關節直流伺服系統

　　摘要：利用可編程控制器(PLC)控制系統的高可靠性、編程及維護方便、體積小的特點，將其應用于環流可逆調速系統中，研制出基于PLC的工業機器人關節直流伺服系統，通過環流可逆調速系統控制電機的正反轉， 實現對工業機器人關節的伺服控制。其優點是在改變電機正反轉時無需改變線路結構，使工業機器人關節的伺服控制更簡單、可靠和穩定。

　　1 引 言

　　隨著現代科學技術的發展，PLC己廣泛地應用于工業控制微型計算機中。

　　目前，工業機器人關節主要是采用交流伺服系統進行控制，本研究將技術成熟、編程方便、可靠性高、體積小的SIEMENS S-200可編程控制器 ，應用于可控環流可逆調系統，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。

　　2 工業機器人關節直流伺服系統

　　工業機器人關節是由直流伺服電機驅動，通過環流可逆調速系統控制電機的正反轉來達到對工業機器人關節的伺服控制的目的。

　　2.1 控制系統結構

　　系統采用SIEMEN S7-200型PLC， 外加D／A數模轉換模塊，將PLC數字信號變成模擬信號，通過BT—I變流調速系統(主要由轉速調節器ASR、電流調節器ACR、環流調節器ARR，正組觸發器GTD、反組觸發器GTS、電流反饋器TCV組成)驅動直流電機運轉，驅動機器人關節按控制要求進行動作。系統結構如圖1所示。

　　圖1 機器人關節直流伺服系統結構示意圖

　　2.2 系統工作原理

　　系統原理如圖2所示，可控環流可逆調速系統的主電路采用交叉聯接方式，整流變壓器的一個副邊繞組接成Y型，另一個接成△ 型，2個交流電源的相位錯開30°，其環流電壓的頻率為l2倍工頻。為了抑交流環流，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。

　　控制電路主要由轉速調節器ASR、電流調節器ACR、環流調節器ARR， 正組觸發器GTD、反組觸發器GTS、電流反饋器TCV組成(見圖2)，其中2組觸發器的同步信號分別取自與整流變壓器相對應的同步變壓器。

　　圖2 工業機器人關節直流伺服系統原理圖

　　系統給定為零時，轉速調節器ASR、電流調節器ACR被零速封鎖信號鎖零。此時，系統主要由環流調節器ARR組成交叉反饋的恒流系統。由于環流給定的影響，2組可控硅均處于整流狀態，輸出的電壓大小相等、極性相反，直流電機電樞電壓為零，電機停轉，輸出的電流流經2組可控硅形成環流。環流不宜過大，一般限制在電機額定電流的5％左右。正向啟動時，隨著轉速信號Ugn的增大，封鎖信號解除，轉速調節器ASR輸正， 電機正向運行。此時，正組電流反饋電壓+Ufi2反映電機電樞電流與環流電流之和； 反組電流反饋電壓-Uril反映了電樞電流， 因此可以對主電流進行調節。而正組環流調節器輸入端所加的環流給定信號-Ugih和交叉電流反饋信號-Ufil對這個調節過程影響極小。反組環流調節器的輸入電壓為(+Uk)+(-Ugih)+(Ufi2)，隨著電樞電流的不斷增大，當達到一定程度時，環流自動消失，反組可控硅進入待逆變狀態。反向啟動時情況相反。另外，可控環流可逆調速系統制動時仍然具有本橋逆變，反接制動和反饋制動等過程。由于啟動過程也是環流逐漸減小的過程， 因此， 電機停轉時，系統的環流達最大值。環流有助于系統越過切換死區，改善過渡特性。

　　3 系統程序設計

　　程序設計方案為手動輸入一個角度值，讓電機轉動，通過與電動機相聯的光電碼盤來檢測電動機轉的角度，將轉動角度變成脈沖信號。由于電動機的轉速非常快，所以只能把脈沖信號送往PLC的高速計數器。然后將計數器的脈沖記錄與手輸入的進行比較，如果兩者相等說明電動機已經到達指定角度位置，否則繼續進行修正。值得注意的是，由于電動機從轉動突變到停止會有一定的慣性， 因此在進行信號比較時應允許有一定的誤差，不然電動機就會始終處在修正位置狀態。系統程序框圖如圖3所示。

　　圖3 系統程序框圖

　　4 結 論

　　基于PLC研制的直流伺服系統，利用PLC擴展能力強的特點，添裝手動輸放裝置，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。