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基于西门子1200PLC的机器人伺服控制设计

文:青岛橡胶轮胎设计院中国青岛 蔡明学 | 2019年第四期 (0) | (0)


摘要:本文通过对机器人自由度功能的研制和开发,为适应各种工作环境的不同要求而开发出各种机构。以伺服电动机为控制对象,以控制器为核心,以电力电子功率变换装置为执行机构,在自动控制理论的基础下组成了电气传动自动控制系统。通过利用西门子1200PLC的运动控制功能和伺服控制器完成了对伺服电机转速精准的控制。并采用PLC提高了系统控制的可靠性和精确度并且满足工业生产的需要。

关键词:西门子1200,机器人,伺服系统

引言

20世纪80年代以来,电力电子装置的控制技术研究十分活跃,各种现代控制理论,如自适应控制和滑模变结构控制,以及智能控制和高动态性能控制都是研究的热点。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,各国著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。

控制系统的软化对CPU芯片提出了更高的要求,为了实现高性能的交流调速,要进行矢量的坐标变换,磁通矢量的在线计算和适应参数变化而修正磁通模型,以及内部的加速度、速度、位置的重叠外环控制的在线实时调节等,都需要存储多种数据和快速实时处理大量信息。可以预见,随着计算机芯片容量的增加和运算速度的加快,交流调速系统的性能将得到很大的提高。控制领域的其他新技术如现场总线、自适应控制、遗传算法等,也将引入到交流传动领域,给伺服电机调速的控制技术带来重大的影响。交流伺服技术——交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一,并将逐渐取代直流伺服系统。

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,西门子PLC是由国际知名的自动化公司研发的,完全是为了满足工业自动化领域的应用的PLC和组态。伺服系统运用的行业是一个自动化程度非常高的行业,这些系统都存在可靠性要求高、监控设备和对象多而复杂、实时性要求高等特点。随着现伺服技术和远程控制日益成熟信息化要求的提高,基于现场总线的控制系统将为电力行业自动化系统提供更好的选择。本研究将技术成熟、编程方便、可靠性高、体积小的可编程控制器,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。

1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。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。机器人控制系统如图1所示。

 图 1 机器人控制系统.png

图1机器人控制系统

1.1伺服驱动器

控制伺服电机的一种控制器,其作用类似于变频器作用于普通交流马达,属于伺服系统的一部分,主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制,实现高精度的传动系统定位,目前是传动技术的高端产品。

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-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。

1.2交流伺服电机的组成

伺服电机可使控制速度,位置精度非常准确,可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制,并能快速反应,在自动控制系统中,用作执行元件,且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性,可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类,其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降。

交流伺服电动机的结构主要可分为两大部分,即定子部分和转子。其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同,在定子铁心中也安放着空间互成90°电角度的两相绕组,如图1所示。其中L1-L2称为励磁绕组,k1-k2称为控制绕组,所以交流伺服电动机是一种两相的交流电动机。

系统采用1200型PLC,通过外加D/A数模转换模块,将PLC数字信号变成模拟信号,通过伺服控制器驱动直流伺服电机运转,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。

22.png 

图2机器人伺服控制系统结构示意图

2控制系统设计

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。

图 3 伺服调速工作原理图.png 

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。

2.1控制电路

PLC为本系统总控制器,本系统用到的PLC通过特制电缆连接伺服驱动器;驱动器再接伺服电机;伺服电机通过伺服驱动器给PLC一个反馈信号,这个反馈信号接PLC的模拟量输入端。这样便于控制更加精准和快速。由用户程序控制PLC的动作,PLC的动作引起欺负驱动器的反应,从而达到控制电机转速的目的。编码器接24V直流电源。伺服驱动器接220V交流电。工业控制计算机通过PPI电缆连接PLC,用户可以通过组态软件观察控制系统工作情况。从而实现远程控制电机调速系统。

2.2系统设计

PLC控制器为系统主控制器;伺服驱动器通过自带的通信模块可以很方便地连接到PLC控制网络上;使用西门子的编程软件博图设计梯形图程序,并下载到PLC控制器中,实现远程基于S7-1200对伺服驱动器控制,进而实现对电机的调速。其中,计算机用于系统的组态、监控和编程,PPI电缆负责PLC控制器与计算机之间的通信,而PLC控制器进行顺序和传动控制,通过伺服驱动器专用线将控制器命令传达给伺服驱动器,同时接受伺服驱动器的状态并实现实时反馈信息。控制程序将速度给定值命令信息以控制字的数据格式传给PLC控制器,实现伺服驱动器的自动控制。

3结论

伺服电机、PLC、接触器等可安装在一台控制柜内,可进行就地或远程操作,其操作方式简单灵活。西门子PLC具有功能齐全、模块化编程、简单可靠等优点,而且其组态画面调试方便,利于现场操作人员调试。组态软件作为用户可定制功能的软件平台工具,利用其良好的通信能力和人机界面,在PC机上开发出友好界面,使工作人员可以实时监控,同时可实现系统故障报警、打印报表。本文中的基于S7-1200伺服电机调速系统正好充分利用了西门子PLC的这些特点。基于PLC研制的直流伺服系统,利用PLC扩展能力强的特点,,实现工业机器人关节直流伺服系统的可视操作。其优点是:(1)无需改变电路结构,即可通过程序实现电机正反转的控制;(2)能够使电机不等待停止转动即可立刻反方向转动;(3)可令电机急停,避免电机惯性转动;(4)编程、维护方便。


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